способ определения береговой линии замкнутых и открытых водоемов

Формула изобретения

Способ определения береговой линии замкнутых и открытых водоемов, заключающийся в нахождении на цифровой карте координат точек границы между сушей и водной поверхностью, отличающийся тем, что процесс нахождения координат осуществляют путем математических вычислений координат точек, находящихся на линии пересечения поверхности, описывающей рельеф земной поверхности и подводного берегового склона, с осредненной уровенной поверхностью, координаты точек которой получают локацией водной поверхности водоема со спутника, летательного аппарата дистанционными методами и/или используют данные сетей гидрологических станций, платформ, данные экспедиций, и полученные таким образом данные передают на компьютер для использования в математических вычислениях.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области картографии и может быть использовано при создании карт береговых зон внутренних и открытых водоемов.

Известен способ создания топографических карт шельфа и внутренних водоемов (Инструкция по созданию топографических карт шельфа и внутренних водоемов (ГКИНП-11-152-85). - М.: ЦНИИГАиК, 1985). В этом способе в зависимости от масштаба и площади участка съемки побережья, сложности ситуации и рельефа местности производится мензуальная, тахеометрическая или аэрофототопографическая (комбинированная или стереотопографическая) съемка. Однако данный способ связан со значительными временными и ресурсными затратами на сбор информации и ее последующую обработку и не может быть использован для оперативного создания и обновления карт береговых зон водоемов.

Известен способ актуализации цифровых карт местности, заключающийся в формировании цифровых изображений топографического материала и космического ортофотоснимка путем сканирования, идентификации на полученных растровых копиях дискретных, линейных и площадных объектов местности, классификации объектов местности по элементам содержания с регистрацией соответствующей им семантической информации об указанных объектах, уточнении формы и местоположения объектов в результате совместной обработки обоих изображений, обновлении выбранных слоев базовой цифровой карты местности (патент РФ № 2165596 по МПК G 01 С 11/10).

Способ позволяет снизить трудоемкость актуализации цифровой карты местности и повысить тем самым ее оперативность. Вместе с тем известный способ позволяет решать вопросы, относящиеся к картам местности, и не может быть использован для оперативного создания и обновления карт береговых зон внутренних и открытых водоемов.

Известен способ изучения динамики береговой зоны, заключающийся в дистанционном зондировании земли с последующей цифровой компьютерной обработкой снимков, визуальным их дешифрированием и созданием векторных карт (см. Кравцова В.И., Лурье И.К., Ермошкин И.С. Изучение динамики береговой зоны Каспийского моря по разновременным космическим снимкам. Географический факультет МГУ, опубликован на сайте компании ДАТА+ (http://www.dataplus.ru/win/AlLGis/13Ecolog/17Bech.htm)). Способ позволяет составлять карту береговых линий. Вместе с тем при реализации известного способа для каждого периода времени составления карты требуется получение материалов космических съемок и проведение необходимых работ по компьютерной обработке полученных снимков и их визуальной дешифрации, что связано со значительными временными и финансовыми затратами.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является способ определения береговой линии замкнутых и открытых водоемов, заключающийся в нахождении на цифровой карте координат точек границы между сушей и водной поверхностью с помощью фотопланов, топографических карт, непосредственного измерения с помощью лазерного дальномера или информации о расстоянии от края границы промерного галса до уровня воды (см. Зайцев А.А., Ильясов А.К., Серапинас Б.Б. Способ оперативного создания электронных карт русел крупных рек с применением методов спутникового зондирования./Материалы международной конференции “Интеркарто-6”. - г. Апатиты, 22-24 августа 2000 г., опубликован на сайте ГИС-Ассоциация 18:18:40 22.08.2000 года (http://gisa2.gubkin.ru/994.html)).

Известный способ позволяет на цифровой карте достаточно оперативно установить положение береговой линии. Вместе с тем в известном способе для определения положения береговой линии используются процедуры интерактивной оцифровки, требующие проведения процедур, связанных с анализом фотопланов, топографических карт и пр., что обуславливает значительную трудоемкость процесса и снижает его оперативность.

Целью настоящего изобретения является снижение трудоемкости процесса определения береговой линии и повышение оперативности решения задачи.

Для достижения заявленной цели в известном способе определения береговой линии, заключающемся в нахождении на цифровой карте координат точек границы между сушей и водной поверхностью, процесс нахождения координат осуществляют путем математических вычислений координат точек, находящихся на линии пересечения поверхности, описывающей рельеф береговой зоны (земной поверхности и подводного берегового склона), с осредненной водной уровенной поверхностью. Осредненная водная уровенная поверхность определяется по дистанционным альтиметрическим данным.

Получение цифровой карты сопряженной поверхности береговой зоны, включающей рельеф земной поверхности и подводного берегового склона, производится на компьютере заблаговременно с использованием цифровых карт рельефа местности и цифровых карт рельефа дна. Для получения оперативных данных о координатах береговой линии осредненная водная уровенная поверхность получается локацией водной поверхности водоема со спутника, самолета, корабля и пр. дистанционными методами и передается на компьютер для использования в математических расчетах.

Таким образом, предлагаемый метод позволяет в оперативном режиме, по данным локации водной поверхности водоемов, с помощью компьютера определять положение береговой линии, что позволяет снизить трудоемкость процесса определения береговой линии, повышает оперативность решения задачи и достичь цели предлагаемого изобретения.

Необходимыми составляющими для реализации данного способа являются цифровая карта сопряженной поверхности береговой зоны водоема и массив уровенных данных по водоему.

Цифровая карта поверхности береговой зоны водоема (см. поз. 1. на чертеже) в общем виде представляет собой набор точек, содержащий географические координаты точек и их высоту относительно выбранной отсчетной поверхности. Для получения массива данных, содержащего координаты точек и их высоту, используются различные методы от ручной технологии наземного измерения координат с помощью системы спутниковой навигации GPS до использования дистанционных методов зондирования. Для создания высокоточных трехмерных цифровых моделей местности некоторые компании (например, http://www.opten.ru/rus/gis/gis.html), занимающиеся топогеодезическим обоснованием проектов, используют технологию лазерного сканирования с борта вертолета, в результате достигается точность разрешения рельефа 10-15 см в плане и 20-25 см по высоте. Для получения описания поверхности береговой зоны имеющийся массив цифровых данных аппроксимируется с помощью известных математических методов. Это может быть выполнено с помощью программы математической обработки информации 2-мерных поверхностей, например MathCad, Surfer. В общем случае массив точек представляет собой не регулярную сетку и для более точного описания рельефа можно использовать специальные алгоритмы (например, В.В.Поддубный, М.В.Черноусов “Приближение сложных поверхностей с использованием аппарата рестриктивных В-сплайнов”). После применения сплайн, полиномиальной или другой аппроксимации получают уравнение, описывающее поверхность береговой зоны.

Осредненная водная уровеннная поверхность (см. поз.2. на чертеже) так же представляет собой массив точек, произвольно расположенных в пространстве, характеризующихся географическими координатами точек и их высотой относительно выбранной отсчетной поверхности. Так же как и в случае с береговой зоной, используются различные методы для определения высоты координат точек осредненной уровенной поверхности. Могут использоваться контактные и дистанционные данные, а также различные их сочетания. В качестве контактных данных могут быть использованы данные сетей гидрологических станций, платформ, данные экспедиций и т.д. В качестве дистанционных данных могут быть использованы данные, полученные с летательных аппаратов, спутников и пр. В качестве данных дистанционного зондирования предлагается использовать данные альтиметров спутника Topex/Poseidon и спутника Jason 1. Данные свободно распространяются и могут быть получены через Internet. Данные представляют собой треки, состоящие из подспутниковых точек (см. поз.3. на чертеже). Данные имеют различный формат в зависимости от степени обработки. Наиболее целесообразно использование данных типа MGDR, которые содержат высотные составляющие и все поправки к ним. После получения и регионального отбора данных рассчитываются высоты точек осредненной уровенной поверхности и применяются все поправки (см. руководство к данным "PO.DAAC Merged GDR (TOPEX/POSEIDON) Users Handbook"). Таким образом получается массив, содержащий данные о высоте осредненной уровенной поверхности в данном регионе относительно отсчетной поверхности. Как правило, данные береговой зоны и осредненной уровенной поверхности имеют различные системы отсчета и для дальнейших расчетов массив точек осредненной уровенной поверхности приводится к системе отсчета береговой зоны. Массив точек представляет собой нерегулярную сетку, и для более точного описания осредненной уровенной поверхности используются алгоритмы, аналогичные алгоритмам, описанным для береговой зоной. После применения этих алгоритмов получают уравнение, описывающее осредненную уровенную поверхность.

Полученная система двух уравнений, одно из которых описывает рельеф береговой зоны, а другое осредненную уровенную поверхность, описывает линию пересечения двух поверхностей. Эта линия и есть искомая береговая линия (см. поз.4. на чертеже). Для получения непосредственных координат точек береговой линии для данной береговой зоны и данной осредненной уровенной поверхности можно воспользоваться следующим алгоритмом. Для начала выбирается основное направление для построения опорной сетки, а именно по широте или по долготе. Далее выбирается шаг построения сетки соответственно по долготе или широте. Получаем массив точек с одной координатой (по широте или долготе). Далее поочередно подставляя для каждой точки выбранную координату в систему уравнений, находятся остальные координаты точки. Решить такую систему уравнений можно, используя математические пакеты прикладных программ, например MathCad (см. Дьяконов В.П. “Mathcad 2001: специальный справочник”). Таким образом, система решается для каждой точки, количество которых определяется размером района и выбранным шагом.

В результате получается массив точек, содержащих координаты искомой береговой линии данной акватории, водоема.

Описанная выше процедура может быть запрограммирована, и математические описания поверхности береговой зоны и осредненной уровенной поверхности могут быть занесены в компьютер по данным исходного их состояния. Так как изменение рельефа береговой зоны происходит медленно, для оперативного определения координат береговой линии корректировки его математического описания не требуется. Его корректировка может проводиться в ходе предварительных работ по наличию уточняющих исходных данных. Математическое же описание осредненной уровенной поверхности в оперативном режиме может быть выполнено на основе исходных зависимостей с учетом приращения координат точек по отношению к исходным массивам, полученным по данным локации водной поверхности водоемов, что позволяет снизить трудоемкость процесса определения береговой линии и повысить оперативность решения задачи.

Определение осредненной водной уровенной поверхности по дистанционным альтиметрическим данным позволяет дополнительно сократить объем обрабатываемой информации, что также снижает трудоемкость и повышает оперативность решения задачи.

Таким образом, предложенное техническое решение по сравнению с известным обладает новыми отличительными и в совокупности с известными признаками позволяет решить задачу снижения трудоемкости процесса определения береговой линии и повысить оперативность решения задачи, что позволяет достичь цели изобретения.