Основные аспекты построения интегрированной цифровой географической модели и перспективы её применения

Несмотря на то что исследования пространственно-временной структуры геосистем являются традиционными в географической науке (Н.А. Солнцев, В. С. Преображенский, А. Г. Исаченко, И. И. Мамай, А. Ю. Ретеюм и многие др.), вопросы иерархии пространственно-временной организации географических систем и строгая алгоритмизация ее моделирования до в настоящего времени относятся к актуальным задачам географической науки. Традиционно решение обозначенных задач связывают с методами пространственного анализа ландшафтоведения.

Пространственную структуру геосистем исследуют с позиции присущих им фундаментальных свойств мозаичности и ориентированности. Мозаичность представлена иерархией закономерно сочетающихся паттернов ландшафтной организации территории. Ориентированность геосистемной структуры рассматривают в качестве характера размещения паттернов вдоль устойчивых векторов циркуляционного поля. Развитие этого направления тесно связано с работами по математической формализации феноменологических конструкций пространственно-временной организации природы. Известны работы по картографо-математическому анализу ландшафтной структуры на основе исследования его физиономического рисунка. Для численного автоматизированного анализа текстуры топографических карт и снимков в целях выделения однородных природных территориальных объектов и их компонентов привлекаются современные численные методы, в том числе методы теории нелинейных колебаний.

Так, определение пространственной фрактальной ритмики рельефа на основе двухмерного спектрального анализа аэрофотоснимков позволило рассчитать ее размерность, показать, что выявленные иерархические уровни согласны структурам, порожденным нелинейными автоколебаниями. Интерпретация полученных результатов, по мнению авторов, нуждается в привлечении обширной информации по вещественному составу пород, слагающих формы рельефа, геодинамической обстановке, специфике экзогенных процессов, в том числе и в ретроспективе. Таким образом, авторы признают, что исследования с привлечением современных численных методов должны базироваться на системной и структурированной модели изучаемой территории.

Можно сделать вывод, что применение современных численных методов развивается в настоящее время в рамках направления, ориентированного на построение структурно-функциональной схемы геосистем «сверху вниз», т. е. от ландшафта как целостной единицы классификации иерархий геосистем. Такой подход входит в противоречие с общенаучными положениями теории динамических систем как науки о структуре и поведении сложных систем в условиях устойчивой не равновесия.

Принципиальным подходом синергетики является ориентация на сборку эмпирически объективных функционально взаимообусловленных структурных единиц саморазвивающихся систем «снизу вверх» для выявления закономерностей процессов самоорганизации, самостоятельного формирования, появления у целого новых свойств.

Базируясь на результатах системных исследований, синергетика предъявляет к ним определенные требования. К ключевым принципам синергетики, имеющим значение общего основания для системно-синергетических исследований в географии, следует отнести в первую очередь:

• — требование отображения в моделях саморазвивающихся систем функционально взаимообусловленных эмпирически объективных системно-структурных единиц;
• — установку на поиск интегральных характеристик целого;
• — принцип свертывания сложных моделей саморазвивающихся систем в модели, отражающие параметры порядка самоорганизации;
• — установку на моделирование пространственной энергетики процессов.

В предлагаемом варианте фундаментальной 3D/4D географической цифровой модели для геосистемного анализа учитываются традиционные в географии принципы структурирования пространства суши по его вертикальному и горизонтальному измерениям. Модель обеспечивает возможности создания функционально согласованного структурного каркаса геосистем территории, относительно которого разрабатываются и верифицируются построения разнообразных специализированных моделей пространства. На каждом уровне детализации или масштабирования континуальное координированное пространство может отображаться мозаикой вертикальной и горизонтальной иерархии дискретных однозначно трассируемых объектов. Выделение объектов производится в согласии с формирующими их потоками эндогенной и экзогенной энергии.

Обозначенный подход можно проиллюстрировать на примере системной модели рельефа. Так, поступающие к поверхности Земли потоки эндогенной энергии формируют блоковый «трансформер» земной коры с его вещественным составом. Поверхность рельефа в целом является несущей конструкцией геосистем, корректирующей поступление солнечной радиации на конкретные поверхности, определяя их потенциальную энергоемкость, которая доступна для вычисления. Преобразование солнечной энергии в реальных термодинамических условиях иерархии объектов поверхности рельефа обусловливает формирование всех объектов геосистем и их компонентов. В соответствие с этим, процесс геофизической дифференциации предлагается рассматривать в качестве ведущего системно-образующего фактора геосистем, что находит обоснование в ряде известных работ. Формализованное описание пространственной геофизической дифференциации возможно на основании расчетов геофизических полей относительно иерархически и функционально структурированной модели рельефа.

Построение модели рельефа, обеспечивающей выделение иерархических единиц его поверхности, достоверно различающихся по природным экологическим свойствам и потенциальным геофизическим характеристикам, дает возможность сравнения потенциальных и реальных (в термодинамических условиях конкретных морфологических систем) геофизических полей. Такая дискретизация позволяет строить векторные поля градиентов геофизических полей геосистем, выявлять параметры порядка самоорганизации геосистем и исследовать закономерности сборки их вертикальной и горизонтальной структуры.

Решение обозначенной модели обеспечивается разрабатываемой оригинальной формализованной структурой данных системной модели рельефа.

Система вертикальной иерархии объектов рельефа с принадлежащими им параметрическими описаниями, соответствует следующему ряду пространственных единиц: морфологическая структура (иерархия тектонических блоков, узлов) — морфоклиматический район (тип экзогенного рельефа) — иерархия объектов поверхности рельефа. Выделение иерархии объектов класса тектонических структур, контролирующих формирование современного рельефа на уровне морфологических структур, производится по методике морфоструктурного районирования (МСР) Е. Я. Ранцман и М. П. Гласко, иерархии объектов морфоклиматической системы, контролирующей формирование скульптурного (экзогенного) рельефа, производится по классификации, приведенной В. И. Кружалиным. Выделение иерархии объектов геометрической поверхности рельефа выполняется методом «сферической квадроангуляции». Типизация структурных линий, характеристических точек и элементарных поверхностей рельефа производится по классификации А. Н. Ласточкина.

Базовым слоем системной модели рельефа является геодинамическая модель, обеспечивающая формализованное описание иерархии актуальных тектонических элементов территории и специфики их взаимодействия.

Разработана структура данных, модель данных и технология построения геодинамической тектонической модели, завершается разработка соответствующего программного продукта.

Программный модуль обеспечивает автоматизированное:

• — построение тектонической модели территории по методике Е. Я. Ранцман, М. П. Гласко;
• — ранжирование иерархии тектонических элементов по индикационным показателям;
• — построение поверхностей;
• — вычисление мощности разностного слоя топографической поверхности;
• — вычисление направления и величины градиента мощности разностного слоя по тектоническим блокам;
• — определение направления движения блоков и интенсивности их взаимодействия;
• — вычисление скорости вертикальных движений блоков;
• — определение блоков концентраторов тектонических напряжений.

Верификация геодинамической модели, разработанной на примере территории Краснодарского края и Республики Адыгея, показала ее удовлетворительное соответствие с известными представлениями о геодинамической структуре региона.

Реализуемый модуль геодинамического анализа территории обеспечивается необходимыми инструментами автоматизированного построения модели, аналитического оперирования и продуцирования данных, т. е. инженерии знаний. Данный модуль иллюстрирует одну из многочисленных возможностей построения специализированных моделей на основании системного параметрического отображения объектов географического пространства.

Векторная пространственная модель тектонических взаимодействий, интерпретирующая их энергетику, является ценным основанием для использования соответствующих моделей теории динамических систем в целях изучения пространственной ритмики тектонических процессов и их прогноза, выявления параметров порядка, определяющих русла контролируемых ими рельефообразующих процессов. Тектоническая составляющая ландшафтов при этом впервые рассматривается как их динамичное основание, т. е. в качестве фактора, пренебрежение которым недопустимо в рамках системной территориальной модели.

Следующий информационный слой рельефа представлен иерархией элементарных единиц геометрической поверхности рельефа, сформированных под воздействием эндогенных процессов и подверженных преобразованию в термодинамических условиях земной поверхности. Разработана структура данных и определена технология реализации модулей классификации и сборки элементарных единиц геометрической поверхности рельефа с их основанием в единицы иерархии морфологических систем, достоверно различающихся по геофизическим и, соответственно, природным экологическим свойствам.

Комплекс предлагаемых подходов позволяет автоматизировать как процесс построения эмпирически объективной иерархии геоморфологических систем, так и вычисление сравнительных геофизических параметров и построение геофизических полей. Автоматизированное определение по иерархии геоморфологических систем пространственной ритмики факторов геофизической дифференциации является ценным основанием для использования соответствующих моделей теории динамических систем в целях выявления параметров порядка, определяющих русла контролируемых ими процессов сборки компонентов в системы. Создается вертикаль следующих функционально согласованных объектов с их параметрическим описанием:

• 1) иерархия тектонических элементов с геологическим строением и данными по месту в региональном поле тектонических напряжений;
• 2) иерархия геоморфологических систем, формируемых полем тектонических напряжений и преобразуемых экзогенными процессами;
• 3) объекты морфоклиматического районирования.

Разработанная единожды системная интегрированная модель рельефа территории открывает перспективу решения комплекса научных и научно-практических задач, связанных с построением удовлетворяющих требованиям теории динамических систем структурно-функциональных схем геосистем, построения моделей разнообразных процессов и полей в трехмерном пространстве и прогноза их развития. В то же время визуализация интегрированной модели рельефа обеспечивает отображение территории как в 2D (картографическом), так и в 3D (цифровые модели местности) вариантах, а также реализацию расчетов для различных проектных решений.

Логическая структура данных цифровой интегрированной модели географических систем отображает геодинамическое единство внутренних и внешних сфер Земли. Иерархическая структура данных всего комплекса компонентов (климатической системы, почв, гидрографической сети, растительности) строится в соответствии с классификацией формирующих структуру объектов факторов. Такая система данных масштабируема и конструктивна, так как ориентирует на понимание генетической природы иерархии. При этом объекты климата на региональном уровне дополнительно идентифицированы по однотипным величине и направлению градиентов основных климата формирующих факторов: температуры и осадков — климатическое поле региона, также как и рельеф, характеризуется на основе отображения пространственной энергетики процессов его формирования.

Каждый объект характеризуется параметрами структурно-формирующих (инвариантных) факторов, имеющих достоверные различия с аналогичными параметрами других объектов того же ранга. Такой подход обеспечивает функционально согласованное структурирование пространства по его вертикальному и горизонтальному измерениям и предоставляет фактические данные для верификации продуцируемых моделей строения и развития геосистем, построения специализированных моделей. В области классификации иерархических уровней геосистем существует нерешенная проблема строгой алгоритмизации системной упорядоченности вертикальной и горизонтальной структуры. Опыт определения точными численными методами полии моно системной организации ландшафтов на основе инвариантных параметров компонентов показал, что в условиях устойчивой не равновесия эти модели не работают.

Для изучения закономерности сборки геосистем «снизу вверх» необходимо применять эвристические методы, например, ассоциативные комплекс нейронной сети и качественные и количественные методы теории динамических систем. Результативность и объективность «сборки» обеспечивается использованием предложенных параметров порядка самоорганизации, в данном случае, потенциальных и реальных геофизических характеристик и их векторных полей.

Потенциальные энергетические характеристики геоморфологических систем рассчитываются в авторской программе «San». Реальные термодинамические условия каждой геоморфологические системы могут быть интерпретированы через сравнительные оценки величин температуры воздуха, концентрации гумуса в почвах и биологических продуктивности природных геосистем и отображены векторными полями градиентов перечисленных величин.

Созданная структурная модель пространства интегрирует систему функционально взаимообусловленных эмпирически объективных системно-структурных единиц компонентов и геосистем, позволяет отображать пространственную энергетику взаимодействий, как по горизонтали, так и по вертикали трехмерного пространства, что обеспечивает объективное целеполагание исследований с применением соответствующих моделей теории динамических систем и интерпретацию результатов исследований, обеспеченную доказательной основой. Структурная системная модель пространства выводит на определение интегральных характеристик целого — параметров порядка процессов самоорганизации и самостоятельного формирования компонентов и геосистем, на сборку моделей геосистем «снизу вверх», что дает возможность построения эффективных моделей прогнозов. Цифровая модель географических систем разрабатывается в виде интегрированного территориального банка данных на примере модельной территории. Система включает систему управления базами данных (СУБД), поддерживающую пространственно-временную структуру данных, соответствующую логике научных географических представлений; полномасштабный ряд цифровых картографических материалов, цифровые модели местности, обеспечивающие трехмерное моделирование пространства; в дальнейшем базы знаний, соединяющие как формализуемые (логико-лингвистические модели, символьные вычисления), так и не формализуемые (в нейронных сетях) знания; экспертные модели знаний.

Платформой для создания системы служат открытое специализированное программное обеспечение, ориентированное на работу с пространственно-временной информацией системой управления объектно-реляционной базой данных (СУОРБД) PostgreSQL PostGIS и СУОРБД Oracle, включающая специальный модуль для работы с геометрическими объектами Spatial. географический ландшафтоведение рельеф Объекты предметной области отображаются в пространстве с учетом топологических, геометрических и моделируемых семантических особенностей поведения. Для реализации возможности редактирования, анализа географических данных и визуализации построенной модели в центре интеллектуальных геоинформационных технологий Адыгейского госуниверситета разрабатывается программная платформа на базе авторского ядра OpenGISCore. OpenGISCore является средством разработки на C++, предоставляющим поддержку сетевой пространственной СУОРБД (PostgreSQL PostGIS) и дружественный графический интерфейс пользователя и другие сервисы, необходимые для создания кросс платформенной ГИС.

Банк данных, поддерживающий общую концепцию системы, предназначен для хранения информации, организации ее обработки и основывается на системе автономных, но взаимосвязанных геоинформационных моделей подсистем компонентов. Подсистемы представлены иерархией пространственных объектов, относительно которых происходит накопление/мониторинг тематической информации. Картографическая реализация результатов анализа координированных данных осуществляется средствами ГИС.

В процессе функционирования системы все многообразие входных данных — информация об объектах, их характеристиках, о формах и связях между объектами, различные описательные сведения — преобразуется в единую общую модель, хранимую в банке данных, который представляет собой информационное хранилище, отображающее структуру объектов реального мира и их взаимосвязи.