Специализированная геоинформационная система для управления компьютерным моделированием в задачах мониторинга и прогнозирования

Актуальность исследования. Геоин-формационные системы активно применяются для решения самых различных научных и практических задач, включая планирование и управление на городском, региональном и федеральном уровнях, комплексное многоаспектное изучение природно-экономического потенциала в пределах регионов, экологический мониторинг [1]. Проблема прогноза затопления территорий в результате сезонных паводков либо из-за возникновения аварийных ситуаций является важной и решается на основе различных методов. Эффективным направлением рещения являются методы компьютерного моделирования, основанные на прямых гидродинамических расчетах динамики поверхностных вод [2]. Особый интерес связан с моделированием динамики затоплений пойменных участков на большой территории со сложным рельефом. В качестве примера задач, связанных с возникновением аварийных и даже катастрофических ситуаций, отметим прогноз последствий разрушений гидросооружений [3].

Поскольку само существование уникальной территории Волго-Ахтубинской поймы (ВАП) обусловлено весенним паводком, то прогноз характера затопления ВАП необходим для решения самых различных экологических и природопользовательских задач. Проблема гидрологического прогноза является актуальной не только для ВАП, но и представляется важной задачей для большинства речных систем как в нашей стране, так и за ее пределами.

Целью исследования является разработка управляющей графической оболочки для моделирования в области экологии на при- мере Волго-Ахтубинской поймы и расчетов предварительных прогнозов сезонных затоплений с учетом реалистичного рельефа местности для заданной территории на основе численной гидродинамической модели.

Для достижения поставленной цели, связанной с созданием специализированной гео-информационной системы, необходимо было решить следующие задачи :

• 1.    Разработать информационные модели и на их основе создать программные приложения.

• 2.    Согласовать форматы передачи данных от блока гидродинамического моделирования к модулям визуализации.

• 3.    Разработать и реализовать классы в рамках объектно-ориентированного подхода.

• 4.    Провести тестирование программного продукта.

Новизна и достоверность предложенных методов и решений . Достоверность результатов определяется применением численных методов, обеспечивающих выполнение основных физических законов сохранения, совпадением результатов расчетов с имеющимся аналитическим решением гидродинамической задачи движения жидкости в приближении мелкой воды и использование современных хорошо апробированных численных схем.

Создана новая специализированная ГИС для экологических исследований. Развит новый подход проектирования ГИС, сопряженной с модулями для компьютерного моделирования. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых – 16 «Физика и экология»

(ВНКСФ-16, Волгоград, 2010), XV Региональной конференция молодых исследователей Волгоградской области (секция «Программно-информационное обеспечение», Волгоград, 2010), VII Региональной научно-практическая конференции «Проблемы и перспективы устойчивого развития региона» (Волжский, 2010). По теме диссертационной работы опубликовано 5 научных работ, в том числе 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК.

Практическая значимость работы. Созданная информационная система является эффективным инструментом для моделирования нестационарной динамики поверхностных вод, позволяя решать различные проблемы природопользования, включая прогнозирование зон сезонных затоплений, а также задачи связанные с возникновением аварийных и даже катастрофических ситуаций. Созданный продукт может быть использован при исследовании крупных внутренних водоемов (например, Волгоградского [4] и Цимлянского [5] водохранилища, Азовского [6] и Каспийского морей и др.)

Положения, выносимые на защиту:

• 1.    Разработана структура и построена информационная модель новой специализированной геоинформационной системы, которая предназначена для визуализации результатов моделирования динамики поверхностных вод. В основу ГИС положен принцип обмена данными между модулем управления проектом, расчетным модулем и модулями 2D- и 3D-визуализации. Имеется модуль для работы с картографическими данными, включая рельеф местности, построенный по данным дистанционного зондирования Земли.

• 2.    Создана специализированная ГИС для управления компьютерным моделированием динамики поверхностных вод на территории Волго-Ахтубинской поймы. В основе ГИС лежит объектно-ориентированный подход, написано более 50 классов.

• 3.    На основе реализованных графических модулей проведена визуализация результатов численного гидродинамического моделирования процесса затопления территории ВАП во время весеннего попуска воды через плотину Волжской ГЭС в двумерном и трехмерном режимах.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 101 страница, 64 рисунка, список литературы содержит 47 наименований.

Основное содержание работы. Первая глава описывает методы и подходы численного моделирования для решения различных экологических задач.

Во второй главе рассматриваются особенности разрабатываемой специализированной ГИС, ее структура и функциональные возможности.

Третья глава описывает созданный программный продукт. Основное внимание уделено графическому интерфейсу для работы с информационной системой и системе визуализации результатов моделирования поверхностных вод на территории Волго-Ахтубинской поймы.

В четвертой главе содержатся результаты моделирования сезонных затоплений на примере Волго-Ахтубинской поймы, а также описаны результаты тестирования программного комплекса.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ 10-07-97017, 11-07-97025.