Изучение водного потенциала бассейна реки Есиль с использованием геоинформационных систем - Дипломная работа

На современном этапе наиболее существенное влияние на речной бассейн оказывает антропогенная нагрузка, при этом стоит учитывать значимость рельефа. Рельеф, как один из компонентов природных комплексов, играет важную роль в формировании гидрологических процессов. Появившиеся в конце 80-х годов XX века геоинформационные системы дают возможность представления рельефа в форме цифровых моделей рельефа (ЦМР) для решения различных задач, в том числе гидрологических расчетов. Основополагающими в этих направлениях явились работы ряда ведущих зарубежных специалистов в области геоинформационных систем и гидрологии Hutchinson M. F., Maidment D. R., Olivera F., Wang X. и др. Под ГИС-моделями рельефа понимаются: ЦМР; продольный профиль русла (ППР); "псевдорельеф" для расчета гидрологических характеристик при отсутствии данных крупного масштаба; упрощенная триангуляционная модель рельефа (TIN) для расчета коэффициента вертикальной расчлененности водосбора.В верховьях течет преимущественно на северо-запад и запад, в основном в узкой долине, в скалистых берегах. Перед Державинском Есиль резко поворачивает на север, у Петропавловска течет на северо-восток. Еще ниже уже в России река выходит на Западно-Сибирскую равнину и течет по плоской Есильской равнине в широкой пойме с многочисленными старицами, в низовьях протекает среди болот и впадает в Иртыш у Усть-Ишима. Река замерзает в начале ноября, вскрывается в апреле - мае. Основной водной артерией является река Есиль с рядом крупных притоков, стекающих на севере с Кокшетауской возвышенности, а на юге - с отрогов гор Улытау.Которые представлены гравелистыми песками мощностью 1,5-7 м, перекрытых с поверхности покровом связных грунтов (супеси, суглинки, глины) мощностью 3-10 м. Далее кровля водоупорных глин погружается на глубину до 5-10 метров, в верхах которых залегают преимущественно песчаные глины неогена мощностью 4-6 метров, которые, в свою очередь, перекрыты покровом четвертичных связных грунтов мощностью до 3 метров. В удалении от борта долины, в сторону водораздела, водоупор сменяется глинами чаганской свиты палеогена и кровля его залегает уже на глубине 20-35 м, а сверху залегают те же песчаные глины неогена мощностью 7-20 м, переходящие в глины и алевриты палеогена, мощностью 10-15 м. Эти отложения представлены суглинисто-глинистой толщей мощностью 8-10 м, переходящими в палеогеновые пески мощностью 3 - 8 м и которые в свою очередь залегают на неогеновых глинах мощностью 4-22 м с прослоями песков. По левобережью в юго-западной части излучины реки водораздельное пространство шириной до 20 км имеет покровную суглинистую толщу неоген - четвертичных отложений, мощностью 5-8 м, подстилаемую палеогеновыми песками, мощностью 10-15 м, которые лежат на глинах того же возраста.Инструмент Заполнение (Fill) использует эквиваленты нескольких инструментов, таких как Фокальный сток (Focal Flow), Направление стока (Flow Direction), Локальное понижение (Sink), Водосборная область (Watershed) и Заполнение зон (Zonal Fill) для обнаружения и заполнения локальных понижений. · Локальное понижение - это ячейка с неопределенным направлением стока; вокруг нее не существует ячеек с меньшей, чем у этой ячейки, высотой. · Ограничение по z задает максимальную допустимую разницу между глубиной точки локального понижения и устья и определяет, какое понижение будет заполнено, а какое останется незатронутым. · Инструмент Локальное понижение (Sink) может быть использован перед тем, как запустить инструмент Заполнение (Fill), чтобы найти число локальных понижений и помочь определить их глубину. По результатам выполнения этой операции создается растр направления стока, где каждая ячейка (пиксель) содержит информацию о количестве направлений стока протекающих через данную ячейку (рисунок 6).

Содержание

Введение

1. Физико-географическая характеристика бассейна реки Есиль

1.1 Рельеф и геоморфологическое строение

Открытые пользовательские ГИС находятся еще на стадии взросления, но, безусловно, заслуживают внимания и учета в долгосрочном планировании, гарантируя существенную экономию на лицензиях, инновационность и эффективность разработки за счет использования готового программного кода. Открытые ГИС не отвечают на все вопросы и, по мнению авторов статьи, не ставят под угрозу существование проприетарных программных продуктов, но обеспечивают лучшие условия конкуренции. С одной стороны, использование такого ПО выгодно для небольших компаний, некоммерческих и общественных объединений, исследовательских, государственных и прочих организаций с многочисленными филиалами, где достаточно ограниченной функциональности. С другой стороны, открытые ГИС представляют собой инструмент конкурентной борьбы для компаний, чья основная прибыль не связана с продажами ПО (например, компаний-интеграторов). Использование открытых ГИС способно заметно уменьшить расходы и усилить конкурентные возможности. Тем не менее, ряд недостатков открытого ПО ГИС пока препятствует немедленному его внедрению в организациях в качестве основного. С улучшением поддержки открытых ГИС, развитием участия отечественных разработчиков в международных проектах и ростом общего уровня знания проблематики ГИС ситуация будет меняться в лучшую сторону. Важным начинанием могли бы стать пилотные проекты, показывающие уровень готовности открытых ГИС к реальной работе.

3.4 Создание карт бассейна реки Есиль c помощью программного комплекса ARCGIS

3.4.1 Алгоритм моделирования бассейна реки Есиль

Данный алгоритм предполагает обработку цифровой модели рельефа (ЦМР) функциями дополнительного модуля ARCGIDRO программного обеспечения ARCGIS.

Рис.17 Алгоритм моделирования стока

Шаг1. В качестве цифровой модели рельефа использовалось данные полученные по результатам работы международной миссии SRTM (Shuttle radar topographic mission), которая проводилась 2000-2003 годах с целью получения данных цифровой модели рельефа (ЦМР) территории всей Земли (рис 18).

Рисунок 18. Цифровая модель рельефа северной части Казахстана

Для уменьшения объема обрабатываемых данных, с мозаики ЦМР была оставленная только та территория, на которой размещается бассейн р. Есиль. (рис. 19)

Рис. 19 Цифровая модель рельефа на территорию бассейна реки Есиль

Шаг2. Удаления небольших ошибок и неточностей в растре поверхности рельефа. Для удаления небольших ошибок и неточностей в растре поверхности рельефа применяется функция Fill (Заполнение).

Локальные понижения (и пики) зачастую представляют собой небольшие ошибки, возникающие изза разрешения данных или округления высот до ближайшего целого значения.

Локальные понижения должны быть заполнены для обеспечения более корректного выделения бассейнов и водотоков. Если локальные понижения не заполнены, выделенная дренажная сеть может иметь разрывы (рисунок 3,4,-7).

Инструмент Заполнение (Fill) использует эквиваленты нескольких инструментов, таких как Фокальный сток (Focal Flow), Направление стока (Flow Direction), Локальное понижение (Sink), Водосборная область (Watershed) и Заполнение зон (Zonal Fill) для обнаружения и заполнения локальных понижений. Выполнение инструмента - это итеративный процесс, который повторяется до тех пор, пока не будут заполнены все локальные понижения с учетом заданного ограничения по Z (по высоте). По мере того, как локальные понижения заполняются, на границе заполняемых зон могут создаваться новые локальные понижения, которые будут удалены во время следующей итерации.

Рис.20 Профиль локального понижения до и после запуска инструмента Заполнение

Инструмент может также использоваться для удаления локальных повышений, которые являются ложными ячейками с высотой, большей, чем можно было бы ожидать, учитывая тренд окружающей поверхности.

Рис.21 Профиль пика до и после запуска инструмента Заполнение

Рис.22 ЦМР до и после применения операции заполнения (Fill)

· Локальное понижение - это ячейка с неопределенным направлением стока; вокруг нее не существует ячеек с меньшей, чем у этой ячейки, высотой. Точка устья - это пограничная ячейка с наименьшей высотой для водосборной области локального понижения. Если бы локальные понижения были заполнены водой, в этих точках вода "утекала бы" с поверхности.

· Ограничение по z задает максимальную допустимую разницу между глубиной точки локального понижения и устья и определяет, какое понижение будет заполнено, а какое останется незатронутым. Ограничение по z не является значением максимальной глубины, до которой будет заполнено локальное понижение.

Например, рассмотрим область локального понижения, где точка устья находится в 210 футах по высоте, а самая глубокая точка локального понижения - 204 фута (то есть разница составляет 6 футов). Если ограничение по z равно 8, это конкретное локальное понижение будет заполнено. Однако, если ограничение по z равно 4, это локальное понижение не будет заполнено, поскольку глубина понижения превышает разницу и оно будет считаться допустимым понижением.

· Все локальные понижения, которые по глубине меньше, чем ограничение по z, и ниже, чем самая низкая из прилегающих соседних ячеек, будут заполнены до высоты своих точек устьев.

· Запуск инструмента Заполнение (Fill) может быть требователен к процессору, оперативной памяти и занимаемому месту на диске. Он может требовать до четырех раз большего объема дискового пространства, чем входной растр.

· Число локальных понижений, определяемых с использованием ограничения по z, будет задавать время, требуемое на обработку. Чем больше локальных понижений имеется, тем больше потребуется времени на обработку.

· Инструмент Локальное понижение (Sink) может быть использован перед тем, как запустить инструмент Заполнение (Fill), чтобы найти число локальных понижений и помочь определить их глубину. Знание глубины локальных понижений может помочь в определении подходящего значения ограничения по z.

· Инструмент Заполнение локальных понижений может быть также использован для удаления пиков. Пик - это ячейка, вокруг которой нет ячеек выше нее. Для удаления пиков входной растр поверхности должен быть инвертирован. Эту операцию можно выполнить с помощью инструмента Минус (Minus) . Задайте наибольшее значение растра поверхности в качестве первых входных данных инструмента Вычитание (Minus) и растр поверхности в качестве вторых входных данных. Выполните заполнение. Инвертируйте результаты с тем, чтобы получить поверхность, имеющую исходные значения растра поверхности с удаленными пиками. Ограничение по z может быть применено и к этому процессу. Если для ограничения по z не задано никакого значения, будут удалены все пики. Если значение определено, в тех случаях, когда разница в значении z между пиком и самой высокой соседней ячейкой больше, чем ограничение по z, этот пик удален не будет.

Шаг3. Имея уточненное векторное покрытие реки Есиль на территорию Казахстана, которое было получено путем оцифровки космических снимков за период март-апрель 2014 года со спутника дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) Landsat 8 OLI, выполняем операцию “врезания" в ЦМР (Assign Stream Slope). Такая операция корректирует ЦМР с учетом априорных данных о гидрографии.

Корректируем ЦМР с учетом априорных данных о гидрографии, получено путем оцифровки космических снимков за период март-апрель 2014 года со спутника дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) Landsat 8 OLI (Вырезка Б)

Рис 22. Уточнение ЦМР с учетом имеющих данных о гидрографии

Шаг4. Функция Fill (Заполнение). Удаления небольших ошибок и неточностейв растре поверхности рельефа вызванных в ходе выполнения шага 3.

Шаг5. Построение растр поверхности направления стока. Для построения растра поверхности направления стока используется операция Flow Direction (Направление стока).

По результатам выполнения этой операции создается растр направления стока, где каждая ячейка (пиксель) содержит информацию о количестве направлений стока протекающих через данную ячейку (рисунок 6).

Рис.23 Представление выполнения операции расчета направления стока

Этот инструмент использует поверхность в качестве входных данных и выдает растр, показывающий направление стока каждой ячейки.

Расстояние вычисляется между центрами ячеек. Следовательно, если размер ячейки принять за единицу, расстояние между двумя ортогональными ячейками будет равно 1, а расстояние между диагональными ячейками - 1,414 (квадратный корень из 2). Если максимальное понижение высоты до ближайших ячеек одинаково в нескольких направлениях, область соседства расширяется до тех пор, пока не будет найден самый крутой спуск.

Если найдено направление самого крутого понижения, выходной ячейке дается значение, представляющее это направление.

Если все соседние ячейки выше, чем обрабатываемая ячейка, такая ячейка будет рассматриваться как ошибка в данных; она должна быть заполнена до минимального значения высоты соседних ячеек. Сток будет осуществляться в эту ячейку. Однако в том случае, если локальное понижение размером в одну ячейку расположено на физическом краю растра, или в ее окрестностях есть хотя бы одна ячейка со значением NODATA (нет данных), заполнения не происходит изза недостаточной информации по соседним ячейкам. Чтобы ячейка могла рассматриваться как истинное локальное понижение размером в одну ячейку, для нее должна быть информация по всем соседним ячейкам.

Рис.24 Растровое покрытие направления стока

Если сток из двух ячеек осуществляется друг в друга, они являются локальными понижениями с неопределенным направлением стока.

Ячейки, которые являются локальными понижениями, определяются с помощью инструмента Локальное понижение (Sink). Чтобы получить точное представление направления стока по поверхности, нужно заполнить локальные понижения до использования растра направления стока.

Шаг6. Суммарный сток. Суммарный сток создается путем выполнения операции Flow Accumulation. Растр поверхности суммарного стока строится на основании поверхности уклона, то есть растра поверхности направления стока, полученного на предыдущем шаге.

Инструмент Суммарный сток (Flow Accumulation) вычисляет суммарный сток как суммарный вес всех ячеек, впадающих в каждую ячейку вниз по склону выходного растра. Если не предоставлено растра весов, каждой ячейке назначается вес 1, а значением ячеек выходного растра является количество ячеек, впадающих в каждую ячейку.

На рисунке 6 наверху слева изображено направление перемещения из каждой ячейки, а на правом верхнем рисунке - количество ячеек, впадающих в каждую ячейку.

Рис.25 Определение суммарного стока

Ячейки с высоким суммарным стоком - это участки концентрированного стока; они могут быть использованы для определения русел водотоков. Это описано в разделе Определение сетей водотоков. Ячейки с суммарным стоком, равным нулю, - это локальные топографические пики; они могут быть использованы для выделения хребтов или линий водораздела.

Рис.26 Суммарный сток на территорию бассейна р. Есиль

Примером использования инструмента Суммарный сток (Flow Accumulation) с входным растром весов может служить определение количества дождевых осадков, попадающих в заданный бассейн. В таком случае входной растр весов может быть непрерывным растром, представляющим среднее количество дождевых осадков за определенный период. Выходные данные инструмента будут представлять количество осадков, протекающее через каждую ячейку, при допущении, что весь выпавший дождь стекает по поверхности и не существует перехвата осадков, нет испарения, и осадки не просачиваются в грунтовые воды. Этот процесс можно также рассматривать как количество дождевых осадков, которые выпадают на поверхность земли выше по склону относительно каждой ячейки.

Шаг 7. Идентификация ячеек водотока со значениями суммарного стока выше заданного (Stream Definition). Результаты выполнения инструмента Суммарный сток (Flow Accumulation) могут быть использованы для создания сети водотоков путем применения порогового значения для выбора ячеек с высоким суммарным стоком. Это выполняется с помощью функции Stream Definition.

Значение порога определяется либо как число клеток (по умолчанию 1%) всего растра или по площади водосбора в квадратных километрах.

Шаг 8. Идентификация водотоков. Идентификация водотоков выполняется с помощью функции Stream Segmentation (Сегментация потока). Результатом этой функции является растровая поверхность сегментов потока, с присвоенной уникальной идентификацией.

Идентифицируемые сегменты водотоков - это фрагменты дренажной сети между двумя последовательными соединениями, между соединением и устьем или между соединением и истоком.

Рис.27 Иллюстрация связей канала водотоков

Шаг.9 Операция Catchment Grid Delineation создает растровое покрытие водосборных территорий каждого потока.

Рисунок 28. Растровое покрытие водосборных территорий каждого потока

Шаг.10 Операция Catchment Polygon Processing создает векторное покрытие водосборных территорий каждого потока.

Рис.29 Векторное покрытие водосборных территорий каждого потока

Шаг. 11 Операция Adjoint Catchment Processing создает векторное покрытие

Рис.30 Векторное покрытие сети водотоков и водосборных территорий

Рис.31 Выделение бассейна реки Есиль

Размещено на .ru