Тема: Решение задач моделирования речных систем и определения длин водотоков с помощью геоинформационных технологий на примере северных рек России

Векторная гидрографическая основа может быть использована для составления электронных карт и атласов, проведения гидрологических исследований и гидрографических расчётов, для пространственно-временного моделирования речных систем, в том числе для автоматизированного определения порядка водотоков сети и др. Широкое применение, а также развивающиеся технологии обуславливают необходимость постоянного совершенствования методов работы с такого рода данными.
На данный момент, наиболее распространенным инструментом обработки и визуализации векторных гидрографических основ являются геоинформационные системы (ГИС). Однако они обладают ограниченными технологическими и графическими возможностями [21]. Чаще всего при автоматизированном картографировании речных систем в ГИС применяют несколько вариантов:
- все линейные объекты гидрографии имеют одинаковое обозначение, пользователем задается лишь цвет и постоянная толщина;
- водотоки разного порядка отображаются линиями различной толщины;
- водотокам присваиваются линии различного цвета и толщины в зависимости от их порядка.
Это, в лучшем случае, позволяет учитывать лишь иерархию притоков, но недостаточно хорошо отображает направление их течения, что затрудняет восприятие гидрографической сети и всего картографического изображения.
В природе реки имеют более сложную геометрию: чаще всего ширина их русла постепенно увеличивается от истока к устью, а речная система выглядит как единая сеть водотоков, плавно перетекающих друг в друга. Такого эффекта на картах, на данный момент, можно добиться путём задания начальной и конечной ширины каждого водотока и их ручного редактирования [35]. И хотя отображение и не является обязательным условием проведения качественного исследования в области наук о Земле, грамотное представление результатов всё же упрощает их восприятие читателем и способствует повышению эффективности изучения работы в целом.
Однако в ряде исследований важно не только отобразить результат на карте, но и верно провести измерения по векторной гидрографической основе; оценить расстояние от истока, устья, гидропоста и др. Водотоки в природе имеют плавные очертания, а в геоинформационных системах они зачастую представлены в виде сопряжённых отрезков. В связи с этим, вопрос измерений длин рек по дугам сопряжённых окружностей также подлежит рассмотрению. Стоит отметить, что речь пойдет не про визуальное представление дугой, по факту являющейся ломаной с плотно расположенными друг к другу узлами, и расчёт по ней, а про вычисление длины через параметры самой окружности, строящейся для проведения измерений по узлам исходной линии - принципиально иной подход.
Таким образом, цель работы - моделирование речных систем и измерение длин водотоков путём разработки программных алгоритмов для геоинформационных систем на примере северных рек России.
Для достижения поставленной цели необходима реализация нескольких задач:
- обзор исследований в области работы с гидрографическими данными,
касающихся ранжирования, отображения и измерения водотоков;
- выбор объектов для исследования (с достаточной протяженностью, извилистостью и изученностью) и их векторизация;
- разработка программных алгоритмов для моделирования речных сетей в геоинформационных системах (включая как их ранжирование, так и визуализацию);
- разработка программного алгоритма для измерения извилистых линий, как длин дуг сопряжённых окружностей (по радиусу и углу);
- анализ полученных результатов и возможностей применения алгоритмов.
В качестве подтверждения актуальности стоит отметить, что восприятие картографических изображений с применением стандартных инструментов автоматизированного картографирования в ГИС зачастую затруднено: иерархичность речной сети и направление течения просматриваются с трудом, что осложняет визуальное восприятие рельефа и ландшафтов в целом. Разработка предлагаемых в данном исследовании алгоритмов позволит учесть вышеперечисленные факторы и повысить эффективность оформления результатов географических исследований в виде картографических изображений.
Результаты исследования были апробированы на «I-ом Белорусском географическом конгрессе» (БГУ), конференции «Ломоносов-2024» (МГУ), на «XIX-ом и XX-ом Большом географическом фестивале» (СПбГУ), конференции «Водные ресурсы: изучение и управление» (КарНЦ РАН), а также на конференции «9th International Conference on Physical and Mathematical Modelling of Earth and Environmental Processes» (ИПМех РАН), в сборнике материалов которой, индексируемом в Scopus, настоящая работа опубликована. Разработанный в ходе исследования программный модуль зарегистрирован в качестве программы для ЭВМ.
Купить

В рамках настоящего исследования было проведено моделирование речных систем и измерение длин водотоков с помощью разработанных программных алгоритмов для геоинформационных систем на примере северных рек России.
Были решены следующие задачи:
- рассмотрены существующие способы моделирования (ранжирования и отображения) гидрографических сетей, а также история картографирования гидрографии;
- проанализированы методы измерения длин извилистых линий на картах и в геоинформационных системах;
- выбраны объекты для моделирования гидрографических сетей (бассейны рек Северная Двина, Онега, Мезень), а также для измерений длин извилистых линий (реки Северная Двина, Юг, Вага);
- разработаны программные алгоритмы для ранжирования и отображения гидрографических сетей (объединённые в программный модуль QGIS), а также для определения протяжённости водотоков по дугам сопряжённых окружностей;
- проведена апробация разработанных алгоритмов (на научных конференциях и в рамках проведения практических занятий), что позволило судить о возможностях применения результатов, а также выявить недостатки и определить будущее направление исследования.
По итогам проведённого исследования разработаны программный модуль QGIS для автоматизированного моделирования гидрографических сетей, а также программный алгоритм, позволяющий измерять протяжённость водотоков.
1. Программный модуль включает в себя два алгоритма: определение порядков водотоков по модифицированной классификации Хака и отображение гидрографических сетей с учётом иерархии притоков и направления течения. Работа данного модуля наглядно демонстрируют возможность автоматизированной визуализации речных сетей с учетом вышеописанных параметров.
Несмотря на описанные в разделе 2.2 ограничения, данный программный модуль можно рекомендовать для работы в целях мелкомасштабного картографирования специалистам, нуждающимся в оперативно полученной полигональной гидрографической основе для тематических или общегеографических карт.
2. Программный алгоритм для определения длин водотоков по дугам окружностей позволяет рассчитать протяжённость извилистых линий с учётом плавности очертаний природного объекта. Автоматизация такого расчёта основана на построении по каждой тройке точек (являющихся узлами измеряемой линии) окружностей и дальнейшему определению длин дуг окружностей по их радиусам и углам между крайними точками.
Разработанные программные алгоритмы для моделирования гидрографических сетей прошли процедуру государственной регистрации программы для ЭВМ и доступны в онлайн-репозитории [19].
Данные алгоритмы позволят исследователям упростить процесс получения полигональной векторной гидрографической основы на территорию интереса, а соответственно, и процесс представления своих результатов на картах и проведения измерений по ним. Также планируется использовать полученные результаты для совершенствования практикума по дисциплине «Использование карт в географических исследованиях».
Купить