Решение задач моделирования речных систем и определения длин водотоков с помощью геоинформационных технологий на примере северных рек России
|
Введение 3
Глава 1. Моделирование водотоков и их измерение по картам 5
1.1. Выбор исследуемых бассейнов (реки Северная Двина, Онега и Мезень) 5
1.2. Способы определения порядков водотоков 5
1.3. Отображение гидрографических сетей на картах 8
1.3.1. История картографирования рек 8
1.3.2. Современные возможности гидрографического моделирования 16
1.4. Измерение длин водотоков методами картометрии 20
Глава 2. Автоматизированное моделирование речных систем в ГИС. Разработка программного модуля 24
2.1. Ранжирование водотоков по векторным гидрографическим данным 26
2.2. Картографирование рек с учётом иерархии и направления течения 27
2.3. Программная реализация модуля 32
Глава 3. Определение длин водотоков в ГИС. Программный алгоритм для измерения по дугам окружностей 37
3.1. Расчёт длин извилистых линий по дугам сопряжённых окружностей 37
3.2. Программная реализация алгоритма расчёта длин 41
Заключение 43
Список использованных источников 45
Приложение А 49
Приложение Б 56
Глава 1. Моделирование водотоков и их измерение по картам 5
1.1. Выбор исследуемых бассейнов (реки Северная Двина, Онега и Мезень) 5
1.2. Способы определения порядков водотоков 5
1.3. Отображение гидрографических сетей на картах 8
1.3.1. История картографирования рек 8
1.3.2. Современные возможности гидрографического моделирования 16
1.4. Измерение длин водотоков методами картометрии 20
Глава 2. Автоматизированное моделирование речных систем в ГИС. Разработка программного модуля 24
2.1. Ранжирование водотоков по векторным гидрографическим данным 26
2.2. Картографирование рек с учётом иерархии и направления течения 27
2.3. Программная реализация модуля 32
Глава 3. Определение длин водотоков в ГИС. Программный алгоритм для измерения по дугам окружностей 37
3.1. Расчёт длин извилистых линий по дугам сопряжённых окружностей 37
3.2. Программная реализация алгоритма расчёта длин 41
Заключение 43
Список использованных источников 45
Приложение А 49
Приложение Б 56
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.
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.
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».
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».
Подобные работы
- Использование геоинформационных технологий для выделения водотоков по цифровым моделям рельефа на примере северных рек России
Магистерская диссертация, картография. Язык работы: Русский. Цена: 4710 р. Год сдачи: 2024