CC BY
32
УДК 622:.004.67:519.254 А.Н. Якубович
АЛГОРИТМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ САМОВОССТАНОВЛЕНИЯ ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ
Проанализирована структура геоинформационной системы прогнозирования и управления процессами самовосстановления природных комплексов, нарушенных при производстве горных работ. Выделены и рассмотрены основные структурные элементы: алгоритмы и информационные массивы.
Ключевые слова: геоинформационная система, моделирование, алгоритм, природные комплексы, горнопромышленные территории.
Семинар № 15
A.N. Yakubvich
THE ALGORITHMIC BASICS OF BUILDING THE GEOINFORMATION SYSTEM OF MINING TERITORY SELF-REGENERATION MANAGEMENT
Make analyze of geo-information system structure, which create for forecast and control under regeneration of natural complexes, which destroyed after mining operations. Extract and view main building blocks of system: algorithms and data arrays.
Key words: geo-information system, model analysis, algorithm, natural complexes, mining lands.
~ЖЪ целях поддержки принятия
^^управленческих решений при планировании и организации горнопромышленных работ с учетом требований к экологическому состоянию территории, разработана и программно реализована геоинформационная система прогнозирования и управления процессами самовосстановления природных комплексов горнопромышленных территорий. Алгоритмическую основу геоин-формационной системы составляет модель зависимости динамики восстановления биопродуционных параметров почвенных комплексов от среднегодо-
вой динамики приходящей на территорию солнечной радиации, позволяющая получать количественные оценки периодов самовосстановления природных комплексов. Формализованная структура геоинформационной системы приведена на рисунке.
Фактографической основой геоин-формационной системы являются региональный банк пространственнокоординированных данных К и параметры моделирования I.
Региональный банк данных структурно состоит из 4 элементов, программно реализуемых в составе геоин-формационной системы как наборы гео-информационных слоев. Многолетняя статистика климатических данных К служит основой для выполняемого алгоритмической частью ГИС моделирования среднегодового состояния атмосферы и определения степени рассеяния и поглощения в атмосфере солнечной радиации. Атрибутивные таблицы слоев К содержат усредненные по годам наблюдений данные, характеризующие среднегодовое состояние климата в отдельных точках региона (в районах
Структура геоинформационной системы прогнозирования и управления процессами самовосстановления природных комплексов
расположения станций наблюдения) - атмосферное давление, температуру воздуха, относительную влажность воздуха, облачность, наличие туманов.
Топооснова территории региона К,
создается на основе региональных топографических карт; масштаб карт может лежать в пределах от 1:1000000 (при выполнении геоинформационного картографирования регионального уровня по показателям самовосстановительного потенциала) до 1:200000, когда территориальные границы ограничены конкретным горнопромышленным полигоном. Непосредственно для дальнейшей оценки периодов самовосстановления используются информационные слои с изолиниями высотных отметок рельефа; слои с дополнительными сведениями (о речной сети, заболоченных участках местности и т.д.) служат иллюстративным целям.
В геоинформационных слоях с эталонными участками территории К содержится формализованное описание природно-генетического потенциала почв в терминах их биопродуционных параметров. Для каждого участка фиксируется образующий его тип почвенных комплексов и соответствующие данному участку гомеостазисные (равновесные) значения биопродуционных параметров. Достижение биопродуци-онными параметрами своих гомеоста-зисных значений считается показателем завершения самовосстановительных процессов на рассматриваемом участке.
Информация об участках производства горных работ Кг, помимо территориальной привязки участков содержит сведения о видах и объемах выполняемых работ с точки зрения их воздействия на биопродуционные параметры почвы. В атрибутивных таблицах также фиксируются типы почвенных комплексов по отдельным участкам. Данные
геоинформационные слои позволяют объективно характеризовать состояния участков в начале периода самовосстановления их природных комплексов и количественно оценить гомеостазисные значения биопродуционных параметров.
Территориальные границы анализируемой области /Л задаются отдель-ным геоинформационным слоем с полигональной топологией. При формировании данного слоя необходимо учитывать, что / должен являться пространственным подмножеством как Rt , так и R . В пределах задаваемых посредством / границ осуществляется оценка прогнозного периода самовосстановления природных комплексов и геоинформацион-ное картографирование территории по показателям самовосстановительного потенциала.
Параметры временной дискретизации / определяют временной квант, в
течение которого все производные параметры, вычисляемые алгоритмической частью геоинформационной системы, считаются неизменными. При оценке динамики прихода солнечной радиации на территорию целесообразно назначать временной квант в пределах от 15 до 60 мин; соответственно, с такими же интервалами будут вычисляться последовательные расположения Солнца на эклиптике, осредненные параметры состояния реальной атмосферы и т.д. При этом общая продолжительность интервала времени, в течение которого определяется динамика прихода солнечной радиации, от /Д( не зависит и составляет 1 среднестатистический год. При моделировании изменения во времени био-продуционных параметров почвы как следствия протекания самовосстанови-тельных процессов квант времени назначается равным 1 году.
Параметры пространственной дискретизации I служат для создания в пределах I сети опорных точек. Значения данных параметров должны соответствовать точности, с которой создана региональная топооснова R . С учетом технологических особенностей создания цифровых слоев на основе топографических карт нецелесообразно создавать сеть точек чаще, чем 0,001 от масштаба топо-основы. Для использованных в настоящей геоинформационной системе масштабов исходных картографических данных пространственная дискретизация лежит в пределах от 1 км при М 1:1000000 до 200 м для М 1:200000.
Критериальные значения биопроду-ционных параметров I определяют степень той близости текущих значений биопродуционных параметров почвы к своим гомеостазисным значениям, при которой процесс самовосстановления природных комплексов считается практически завершенным. Необходимость задания критериальных значений обусловлена асимптотическим характером моделируемой динамики биопродуцион-ных параметров почвы, при которой восстановление биопродуционных параметров до своих гомеостазисных значений теоретически требует бесконечно большого периода времени. В геоинформацион-ной системе использованы критериальные значения, равные 75% (природные комплексы в основном восстановлены) и 90% (природные комплексы практически полностью восстановлены) от гомеостазис-ных значений.
Алгоритмическую часть геоинфор-мационной системы составляют 15 укрупненных алгоритмов (обозначаемых на рис. 1 как F ), каждый из которых реализуется в виде одной или нескольких программных процедур. Результатом выполнения алгоритмов являются
обобщенные массивы данных М, реализованные в форме таблиц реляционной базы данных либо в форме атрибутивных таблиц информационных слоев ГИС. Обобщенные массивы М являются интерфейсом между последовательно выполняемыми алгоритмами и наряду с региональным банком данных К и параметрами моделирования I используются соответствующими укрупненными алгоритмами в качестве исходных данных.
Алгоритм геомоделирования земной поверхности ^ разбивает рассматриваемую территорию 1Л на отдельные элементарные участки квадратной формы; размеры участков определяются параметрами пространственной дискретизации 1М. Для угловых и центральных точек участков по данным региональной топоосновы К аппроксимируются значения абсолютных высот г0; тем самым осуществляется построение цифрового рельефа территории М как совокупности плоских треугольников, по 4 в пределах каждого элементарного участка. В дальнейшем все величины (динамика прихода солнечной радиации, тип почвенных комплексов, значения биопроду-ционных параметров и т.д.) определяются и фиксируются для центральных точек и в пределах каждого участка считаются постоянными.
После формирования совокупности элементарных территориальных участков для каждого участка определяются основные климатические параметры, характеризующие среднее состояние атмосферы на уровне земной поверхности. Этой цели служит алгоритм ^ , использующий многолетнюю статистику из регионального банка К ; в результате моделирования формируется массив Мс . Значения климатических парамет-
ров в обобщенном массиве М структурированы как территориально (в соответствии с положением центральных точек участков) так и во времени, аналогично структуре атрибутивных таблиц
Яс .
Геомоделирование движения Солнца по эклиптике осуществляется с использованием алгоритма ^ . Первоначально положение Солнца определяется в первой экваториальной системе координат; промежуток времени между последовательными точками положения Солнца задается параметрами временной дискретизации 1Д(; общая продолжительность моделируемого периода равна одному тропическому году. В дальнейшем осуществляется переход к горизонтальной системе координат, в которой положение Солнца определяется азимутом А и высотой к. Результатом реализации алгоритма ^ является обобщенный массив координат Солнца на эклиптике М,, в котором содержатся азимуты и высоты светила для всех пространственных и временных точек.
Алгоритм геомоделирования траекторий импульсов солнечной энергии ^ формирует массив с геометрическими характеристиками траекторий М . В пределах от ^ (для точки достижения импульсом земной поверхности) до 32 км (принятая высота атмосферы) траектория каждого импульса разбивается на отдельные участки таким образом, чтобы проекция каждого участка на земную поверхность полностью лежала в границах какого-либо одного элемента территории из М . Для каждого участка вычисляются и заносятся в М пространственные координаты его начальной и конечной точек, а также характеристика времени.
Геомоделирование состояния атмосферы в пределах каждого участка солнечных лучей осуществляется алгоритмом Г. Изменение параметров состояния атмосферы с высотой основано на уравнениях статики атмосферы и состояния идеального газа. Привлекается модель стандартной атмосферы (на рис. 1 ^ ): до высоты 11 км (тропосфера)
атмосфера принимается политропной, свыше 11 км (стратосфера) атмосфера считается изотермической. В общей сложности для каждого участка определяется 7 параметров, оказывающих непосредственное влияние на рассеяние и поглощение солнечной радиации.
В алгоритме геомоделирования рассеяния и поглощения солнечной радиации в атмосфере Г учтено 5 основных
факторов: молекулярное рассеяние и рассеяние на аэрозолях, поглощение водяным паром, кислородом и атмосферным озоном. Для каждого фактора строится своя функция пропускания, дифференцированная по частотам спектра. В результате применения алгоритма Г
для каждого солнечного имульса формируется интегральная функция пропускания атмосферы как совокупность значений оптической толщины атмосферы по отдельным участкам спектра, сосредоточенных в массиве М р.
Итоговая оценка количества приходящей на территорию солнечной энергии осуществляется алгоритмом Г на
основании интегральных функций пропускания атмосферы и значений спектральных плотностей солнечной энергии. Для центральных точек элементарных участков определяется последовательность величин энергии, пришедшей в течение каждого кванта времени (определяемого в /Д() на протяжении всего периода моделирования (тропического
года). При определении удельного количества пришедшей энергии (на 1 кв. м. поверхности) учитываются особенности рельефа территории - углы наклона и ориентация в пространстве плоских треугольников, образующих цифровую модель рельефа М . Итоговые последовательности значений солнечной энергии, сконцентрированные в обобщенном массиве М , могут служить
основой для построения временных графиков поступления солнечной энергии по отдельным точкам территории.
С использованием временной последовательности значений из М„ алгоритмом ГЕ осуществляется определение обобщающих показателей динамики поступления солнечной энергии в течение тропического года. Данные показатели характеризуют продолжительность периода формирования фитомассы природных комплексов, среднесуточное количество получаемой энергии, степень неравномерности поступления солнечной энергии и ряд других факторов, влияющих на динамику биопродуцион-ных параметров почвы и, в конечном счете, на темпы протекания самовосста-новительных процессов природных комплексов.
Для определения значений биопро-дуционных параметров по отдельным участкам территории используются данные по эталонным участкам Яе. Алгоритмом Ев для них определяются го-
меостазисные значения биопродуцион-ных параметров, соответствующие типам почвенных комплексов и природноклиматическим условиям; этими значениями характеризуются неповрежденные (или полностью восстановленные) природные комплексы на территории. Гомеостазисные значения параметров относятся к центральным точкам эта-
лонных участков; координаты центральных точек, значения параметров и показатели типов почвенных комплексов формируют массив данных МВе.
С целью выявления зависимости между образующими участки типами почвенных комплексов, динамикой прихода солнечной радиации (ДПСЭ) и гомео-стазисными значениями биопродуцион-ных параметров, для центральных точек эталонных участков с помощью алгоритма К определяются обобщающие
показатели ДПСЭ. Поскольку территориально множество эталонных участков К является подмножеством области моделирования 1Л , реализация алгоритма К. заключается в поиске в обоб-
Ее
щенном массиве М моделируемых
участков, в пределах которых расположены центральные точки эталонных участков, извлечении обобщающих показателей ДПСЭ и формировании итогового массива М .
Ее
Алгоритмом К , на основе данных
по эталонным участкам, осуществляется построение зависимостей для определения гомеостазисных биопродуционных параметров моделируемых участков. Данная процедура включает выбор наиболее подходящей аппроксимирующей зависимости и определение ее параметров; в качестве аргументов используются характеристики типов почвенных комплексов и обобщенные показатели ДПСЭ. Результатом применения алгоритма К являются моделируемые значения гомеостазисных параметров, размещаемые в массиве М .
Выполнение на территории тех или иных видов горных работ приводит к различной степени разрушения природных комплексов, что в рамках геоин-формационной системы учитывается
уменьшением значений биопродуцион-ных параметров почвы. Алгоритм Г ,
на основании содержащейся в региональном банке данных информации о видах и объемах выполненных работ К , определяет и заносит в массив М
итоговые значения биопродуционных параметров по окончанию процессов горных работ; эти значения одновременно являются стартовыми для самовосстано-вительных процессов на территории.
Определение биопродуционных параметров в динамике осуществляется алгоритмом Г . На основе дифференциальных зависимостей, связывающих годовые темпы прироста фитомассы и органического вещества, а также учитывающих частичные трансформации фитомассы в органическое вещество и наоборот, определяются ежегодные изменения в биопродуционных параметрах; значения параметров по отдельным годам и участкам заносятся в массив М^+ .
Важной особенностью используемой модели динамики биопродуционных параметров является ее асимптотический характер; по мере приближения
параметров к своим гомеостазисным значениям моделируемые годовые изменения уменьшаются. Таким образом, получаемые в результате моделирования сроки самовосстановления природных систем до уровней свыше 95% от гомео-
стазисного состояния, оказываются заметно завышенными.
Завершающим алгоритмом К на основе динамики биопродуционных параметров М+ определяются прогнозируемые периоды самовосстановления природных комплексов до уровней, задаваемых критериальными значениями 1г. В случае задания критериальных
значений более чем для одного параметра, период самовосстановления длится до достижения своих критериальных значений всеми этими параметрами.
Разработанная геоинформационная система является инструментом для управления экологическим состоянием горнопромышленных территорий.
Управляемыми параметрами являются значения биопродуционных показателей территории по окончании горных работ, которые варьируются в зависимости от видов, объемов и темпов выполнения работ, а также от перечня реализуемых рекультивационных мероприятий. С использованием геоинформационной системы становится возможным назначение научно обоснованных минимально допустимых начальных значений биопро-дуционных показателей, обеспечивающих экологически целесообразные сроки восстановления природных комплексов. гттш
— Коротко об авторе ------------------------------------------------------------
Якубович А.Н. - директор политехнического института Северо-Восточного государственного университета; [email protected]
