Основной инструментарий и возможности системы ГБД-э
Программный инструментарий геоэкологического мониторинга должен обеспечивать и поддерживать сбор и обработку данных наблюдений, оценок и прогнозов антропогенных изменений состояния среды, ответных реакций экосистем на поступление в природную среду веществ, микроорганизмов, энергий, вызывающих изменение свойств компонентов природы и (или) оказывающих вредное воздействие на человека, флору и фауну. Соответствующие системы должны включать программы расчетов для простой констатации фактов, инструментарий для выполнения экспертных оценок и моделирования как основы прогноза состояния среды. В силу этого эффективная система мониторинга невозможна без следующего:
· научно обоснованной схемы размещения постоянных или мобильных пунктов наблюдений, которые обеспечены необходимыми техническими средствами для замеров, визуальных наблюдений и накопления данных;
· сформированных и постоянно дополняемых баз атрибутивных и пространственных данных, географических информационных систем (ГИС), обеспечивающих систематизацию, хранение, анализ результатов наблюдений и измерений, визуализацию этих результатов;
· цифровых (математических, численных) моделей, работающих с информационной основой, обеспечивающих планирование наблюдений и экспериментов, построение и оценку прогнозных сценариев, поддержку принятия управленческих решений.
Считается, что наиболее эффективное решение проблемы создания компьютерной системы геоэкологического мониторинга возможно путем адаптации и настройки на требуемый класс задач специализированной ГИС с дополнительными подсистемами численных моделей.
|
|
|
В настоящее время разработаны и применяются большое количество разнообразных как инструментальных ГИС, так и систем, адаптированных для решения задач в конкретных отраслях. В настоящей работе обсуждаются математические алгоритмы, основные приемы формализации и построения цифровых геоэкологических моделей в системе ГБД-э.
ГБД-э (ГеоБаза Данных визуализации изменений экологического состояния) – интерактивная компьютерная система, объединяющая комплекс интеллектуальных вычислительных подсистем, математического, алгоритмического и программного обеспечения. Система ГБД-э предназначена для наполнения, сопровождения и визуализации следующих баз данных и знаний: геометрических, геофизических, техногенных, геоэкологических параметров экосистем; характеристик тепло-, влаго-, массопереноса в грунтах и атмосфере; цифровых и регламентных описаний источников и видов воздействия на природную среду; входных данных для имитационных и математических моделей. Инструментарий системы ГБД-э позволяет выполнять предобработку и визуализацию исходных данных, характеризующих физико‑географические и гидрографические особенности исследуемой территории. Средствами ГБД‑э можно формировать и визуализировать цифровые описания пространственных распределений данных об источниках загрязнения, о геологическом строении изучаемых объектов; графически иллюстрировать решения задач, описывающих динамические процессы миграции флюидов, переноса тепла, влаги, минеральных водорастворимых соединений в толщах пород; конструировать и реализовывать интерактивные сценарии визуализации и обработки результатов вычислительных экспериментов. Подсистемы ГБД-э позволяют рассчитывать и выполнять в разных приближениях экспертные оценки локальных и интегральных характеристик экосистем, выполнять расчет распределений концентраций и массовых балансов загрязняющих веществ; формировать и выводить на твердые копии тематические карты.
|
|
|
Состав системы ГБД-э:
· генератор данных, включающий программные модули импорта, экспорта, ввода и редактирования в режиме электронной таблицы данных геометрических, геофизических, емкостных и др. характеристик объектов;
|
|
|
· генератор программных модулей типовых расчетных алгоритмов и функциональных описаний определяющих функций, включающий подсистему аппроксимации табличных данных аналитическими выражениями;
· генератор и редактор тематических карт и цифровых полей Gen_MAPw – многофункциональный программный комплекс. В частности, Gen_MAPw обеспечивает возможности: создания и редактирования векторных изображений; поддерживает расчет по нескольким методикам и алгоритмам цифровых полей, аппроксимирующих распределения по объемам геометрических, геофизических и др. характеристик подземных резервуаров, деятельных слоев почвогрунтов. Gen_MAPw может использоваться для расчета и визуализации цифровых полей, описывающих распределения техногенной нагрузки в моделируемых средах;
· программный комплекс Gео_MDL ‑ математический, алгоритмический и программный инструментарий для построения геологических моделей слоев почвогрунтов, многослойных пластов. Этот комплекс может работать в интерактивном и пакетном режимах, его модули обеспечивают пользователя средствами анализа, наглядного представления, моделирования ограничивающих поверхностей и распределений геофизических и др. параметров в слоях, на территориях;
|
|
|
· модули трехмерной визуализации динамических процессов распространения водорастворимых загрязняющих веществ в деятельных слоях почвогрунтов;
· модули организации и поддержки функционирования в интерактивном или пакетном режимах геоинформационных систем.
Терминология системы ГБД-э
Ядром и теоретической основой для построения цифровых моделей экосистем в концепции, реализованной в системеГБД-э, является цифровое описание распределения изучаемого параметра на выбранном пространственном слое. Основной задачей моделирования в системеГБД-э является получение адекватного цифрового описания каждого отдельного параметра на слоях.
Аппроксимация ‑ расчет по одному из алгоритмов в узлы сетки наиболее вероятных значений восстанавливаемого FLD цифрового поля для обрабатываемого параметра. В системе ГБД-э такой расчет производится по совокупности опорных точек (из SKV базы данных) на всю сетку или ее часть, определенную по входной карте. При аппроксимации учитывается расположение ближайших к узлу опорных точек со значениями, их величины, а, когда заданы, и их погрешности. Если аппроксимация выполняется с учетом входной карты, могут учитываться подобласти, включения, разрывы, краевые и граничные условия. Рассчитанные программой аппроксимации в узлы сетки значения цифрового поля используются модулями построения изолиний и зон.
Включение ‑ участок (часть плоскости), ограниченный заданным во входной карте не имеющим самопересечений контуром (ломаной), идентифицируемым системой специально для него назначенными пользователем атрибутами.
Входная карта (карта границ) ‑ MAP изображение, используемое при расчете FLD цифрового поля, формировании карт изолиний, зон относительной однородности, тематических карт. Во входной карте могут присутствовать любые компоненты MAP изображения, но при аппроксимации, построении изолиний и зон, если присутствуют, идентифицируются и специальным образом обрабатываются подобласти, включения, разрывы, краевые и граничные условия.
Граница ‑ линия (обычно ломаная), ограничивающая область, подобласть или включение.
Граничное значение ‑ соответствующее число в точке контура-границы (вершине ломаной) подобласти или включения; задается пользователем или вычисляется алгоритмом аппроксимации (на границах включений значения вычисляются). Для каждой из подобластей на ее границе или частях есть возможность задать граничные значения константой или линейной функцией длины ломаной (кривой контура-границы), когда на концах незамкнутой части границы с значениями задаются разные их величины.
Зона относительной однородности ‑ участок площади в подобласти, на котором в узлах сетки рассчитанное системой FLD цифровое полележит в заданном интервале.
Изолинии ‑ линии, соединяющие на географической, тематической карте, схеме места с одинаковыми показателями какой-нибудь величины.
Интерполяция ‑ способ приближенного или точного нахождения какой-либо величины по известным отдельным значениям (в узлах интерполяции) этой же или других величин, связанных с ней (см. также экстраполяция).
Компоненты MAP изображения: строки; номераобъектов или значения изолиний, или любых параметров SKV базы данных; символы(примитивы объектов, точек наблюдения); линии (отрезки); круги-сектора (круги или сектора в секторных диаграммах); контура. В ГБД принята прямоугольная система координат, где ось 0x ориентирована по горизонтали слева направо, ось 0y по вертикали снизу вверх; координаты представляются системой целочисленными, диапазон их изменения от -32767 до +32767.
Контура в МАР изображениипредставляют последовательность отрезков, соединяющих опорные точки; каждый контур имеет начало и конец; атрибутами контура являются тип, толщина и цвет линии, тип и признаки заполнения; типы заполнения - без заполнения, сплошное заполнение (когда часть выведенного контура с заполнением, перекрываемая следующим контуром, перерисовывается), прозрачное заполнение; признаки заполнения - цвет и тип штриховки области, ограниченной контуром.
Краевые условия ‑ контура и значения вдоль их, которые могут использоваться для уточнения восстанавливаемого FLD цифрового поля. Контура для краевых условий включаются во входную карту, они не должны иметь самопересечений, должны отличаться от других типов контуров своими атрибутами. При аппроксимации эффект краевых условий обеспечивается введением, как и при задании граничных условий, дополнительных опорных точек (псевдоточек). Значения в вершинах ломаной-контура вычисляются так же, как вдоль границ подобластей.
Опорные точки ‑ точки на плоскости (внутри или вне подобластей), по которым задано значение параметра (а иногда и погрешности).
Пласт ‑ геологическое тело, характеризующееся более или менее однородным вещественным составом и имеющее резко уплощенную форму (мощность пласта меньше на несколько порядков его характерной протяженности).
Подобласть ‑ участок (часть плоскости), ограниченный заданным во входной карте не имеющим самопересечений контуром (ломаной) с специально для него назначенными пользователем атрибутами. Основной смысл введения в ГБД понятия подобласти обусловлен особенностями аппроксимации. Если входная карта содержит подобласти, то при получении FLD цифрового поля его значения рассчитываются только во внутренних узлах сетки (кроме узлов, попадающих во включения), причем в каждой подобласти расчет выполняется по всей совокупности опорных точек SKV базы данных со значением обрабатываемого параметра.
Разрыв ‑ незамкнутый контур (ломаная) без самопересечений с специально для него назначенными пользователем атрибутами. В системе ГБД при наличии во входной карте разрывов вблизи их расчеты цифрового поля, изолиний, зон относительной однородности выполняется специальным образом.
Сглаживание кривых ‑ в приложениях машинной графики часто требуется построить гладкую кривую по набору заданных (опорных) точек. Наиболее распространенным способом построения гладких кривых является способ В-сплайна, именно такой алгоритм реализован в ГБД.
Сетка ‑ множество точек (узлов), заменяющих в расчетах область непрерывного изменения аргументов дискретной. При аппроксимации (численном решении задачи восстановления цифрового поля) вместо функций непрерывного изменения аргументов рассматриваются функции дискретного аргумента, определенные в узлах сетки и называемые сеточными функциями.В системе ГБД, используются прямоугольные равномерные сетки. Применяются наклонные сетки тогда, когда требуется минимизировать размер файлов FLD цифровых полей и число рассчитываемых сеточных значений цифрового поля.
Синтез изображений ‑ соединение нескольких изображений в единое целое.
Слой.В машинной графике, геоинформационных системах графический слой ‑ часть комплексного изображения, которую можно включить, отключить, меняя тем самым вид изображения.
Экстраполяция ‑ продолжение функции за пределы ее области определения, при котором продолженная функция принадлежит заданному классу. Экстраполяция функций обычно производится с помощью формул, в которых используется информация о поведении функции в некотором конечном наборе точек (узлах интерполяции), принадлежащих ее области определения (см. также интерполяция).
FLD цифровое поле ‑ полученный по результатам аппроксимации набор сеточных значений поля обрабатываемого параметра. Рассчитанные сеточные значения имеют номера i, j и соответственно относятся к узлам Xi, Уj.
МАР изображение ‑ электронное изображение формируемой средствами ГБД схемы или геологической карты. МАР изображение может включать различные графические слои (компоненты карты), которые формируются соответствующими программными модулями, конверторами из других форматов или пользователем с помощью графических редакторов.
SKV база данных ‑ используемая в системе ГБДреляционная база данных числовых значений характеристик, параметров в точках наблюдений слоев, пластов.
Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 782; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!