МЕТОДЫ ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО АНАЛИЗА В - kaf

В Украине, во многих городах
встречаются территории, которые
раньше
использовались
в
промышленных целях, а сейчас
представляют собой недостатки этих
городов. Одной из таких территорий
является заброшенные карьеры по
добыче полезных ископаемых.
В
статье
описываются
основные
проблемы,
которые
возникают
в
результате
заброшенности карьеров и решение
их с помощью рекультивациии.
Используется анализ методами
спутниковой геодезии, а также
моделирование
геометрически
сложных природных объектов с
использованием
ГИС-технологий,
что
повышает
эффективность
проведения
планировочных
и
земляных
работ
в
процессе
рекультивации.
Введение
Из статьи «Информация о
благоустройстве Харькова за 9
месяцев 2011 года» на сайте
http://www.city.kharkov.ua/
было
взята и оценена инфомация о
благоустройстве города Харькова.
Были
сделаны
выводы,
что
подготовка к Евро 2012 и ее
результаты улучшили состояние
жизни населения, сделали город
более популярным среди туристов.
Исходя из этой информации мы
видим, что проведенная работа по
благоустройству сделали Харьков
ближе к статусу европейского
города, поэтому было сделано
предложение
о
выявлении
и
решении
проблем,
которые
УДК ______________
МЕТОДЫ
ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО
АНАЛИЗА В ПРОЦЕССЕ
РЕКУЛЬТИВАЦИИ КАРЬЕРА
ПО ДОБЫЧЕ ПОЛЕЗНЫХ
ИСКОПАЕМЫХ
Студент 4-го курса ХНУГХ
градостроительного факультета
специальности ГИС
Кухар М.А.
Студент 4-го курса ХНУГХ
градостроительного факультета
специальности ГИС
Козыренко В.В.
Доктор технических наук,
професор, заведующий кафедры
геоинформационных систем,
оценки земли и недвижимости
Метешкин К.А.
принесли еще большую пользу в
этом направлении.
Был проведен анализ города, в
результате которого на территории
Ленинском районе в зоне Лысой
горы обнаружена техногенная зона в
виде заброшенного карьера, имеет
перспективы
для
развития.
Выявлено, что карьер образован в
результате добычи глины для
кирпичного производства, которая
прекратила
свою
деятельность
примерно в 70-е годы прошлого
столетия.
Всестороннее
исследование карьера, натурными и
полунатурных
методами,
в
частности,
современными
геодезическими методами, а также
прилегающих к нему территорий
позволили оценить возможность
благоустройства данных территорий
и
сформулировать
конкретные
предложения по его рекультивации
и целевого использования.
Поэтому, можно сказать, что
разработка
методов
оценки
заброшенных
и
техногенных
территорий является актуальной
задачей
для
крупных
промышленных городов таких, как
Харьков.
Анализ негативных факторов,
влияющих на окружающую среду
и социум, связанных с
покинутым карьером
Негативное
отношение
к
карьеру как техногенному объекту
формируют следующие факторы:
заброшенность
карьерных
разработок, отсутствие работ по
рекультивации, или низкий эффект
от их проведения, использование их
в качестве стихийных свалок, что в
значительной степени нарушает
городской
ландшафт
и
его
эстетическое восприятие, а также от
тех из них, на которых мероприятия
по
рекультивации
не
дали
положительный эффект или были
выполнены частично. Нередко в
местах забора грунта отдельные
участки местности приобретают
малопригодный
техногенный
характер.
Предложения рекультивации
территории заброшенного
карьера
Работы по рекультивации
обычно имеют два основных этапа
— технический и биологический.
Нас же интересует больше
технический этап, на котором
проводится
корректировка
ландшафта (засыпка рвов, траншей,
ям, впадин, провалов грунта,
разравнивание и террасирование
промышленных
терриконов),
создаются
гидротехнические
и
мелиоративные
сооружения,
осуществляется
захоронение
токсичных отходов, производится
нанесение плодородного слоя почвы.
В
результате
осуществляются
образование
территории.
На
биологическом этапе проводятся
агротехнические работы, целью
которых
является
улучшение
свойств почвы.
Рис. 1 – Корректировка ландшафта
Проведя анализ района, в
котором находится данный карьер
мы пришли к некоторым выводам.
Поскольку карьер находится в
малонаселенном
районе
малоэтажной
застройки,
транспортная сеть данного района не
достаточно развита, коммуникации
изношены, производить жилищную
или офисную застройку карьера не
представляется рентабельным.
Наиболее
эффективным
решением данной проблемы мы
видим
в
создании
парково-
рекреационной зоны, по примеру
Саржиного яра.
Рис. 2 - Снимок Саржиного яра
Эта зона должна включать в
себя несколько составных частей:
во-первых,
облагороженная
парковая территория, во-вторых
создание торговой инфраструктуры
(например, точки продажи чистой
родниковой воды из источника на
дне
карьера),
что
поможет
поддерживать зону в дальнейшей
эксплуатации, в-третьих создание
спортивной инфраструктуры, такой
как беговые дорожки, дорожки для
велосипедистов и прочее.
Так же есть возможность
привлечения
дальнейших
инвестиций в близлежащий район,
так как создание такой зоны повысит
невысокую стоимость земли этого
района, что в свою очередь может
стать
толчком
к
развитию
инфраструктуры
и
улучшения
комфорта проживания местного
населения.
Земляные работы
Все земляные работы сводятся
к тому, что в почве делаются выемки
или насыпается дополнительный
грунт. В первом случае выемка,
которая отрывается только для
добычи грунта, будем называть
резервом, а насыпь - отвалом или
кавальером. Поэтому цель земляных
работ можно определить как
создание инженерных сооружений
из грунта. К ним могут быть
отнесены
строительство
дорог
любого типа, каналов и траншей,
площадок для различных целей, в
частности устройство оснований
зданий и сооружений, наконец,
планирование
территории
под
застройку и благоустройство, как и в
нашем случае.
Предлагается
сделать
достижение этих целей, по зарание
установленным
проэкту
с
использованием
TIN
модели
планируемого
результата
рекультивации.
Это
позволит
уменшить трату средств, ускорить
процес провидения земляных работ,
улучшить их качество.
Для выполнения подобной
задачи используються програмные
продукты ГИС такие как «Еrdas
Іmagine» и «ArcGis».
Определения высот точек
местности c использованием
программного продукта «Еrdas
Іmagine»
Используя программу «Erdas
Imagine» по снимкам полученым в
результате
дистанционного
зондирования земли можно быстро и
с хорошей точностью построить
цифровую модель местности.
В програму загружаються два
снимка которые представляют собой
стереопару:
Рис. 3 - Стереопара в рабочей
областе окна программы «Erdas
Imagine»
После внесени необходимых
параметров снимков и проекции
земной поверхности было получено
наложание снимков в области
которого определены координаты X,
Y, Z каждого пикселя:
Рис. 4 – Наложение снимков
Таким образом были получены
высоты точек местности карьера
заброшенного кирпичного завода,
что
позволит
провести
последующюю работу.
Ранее
для
выполнения
подобных
задач
проводились
полевые работы, которые требуют
много времени и людей, очень
невыгодно. Сейчас же благодаря
подобному
ГИС-обеспечению
необходим
некоторый объем
исходных данных, но результаты
работы будут получены в короткие
сроки
и
только
одним
квалифицированным специалистом,
что
является
положительным
результатом.
Построение TIN-модели
прогноза рекультвации с помощью
инструментов «ArcGis»
Следуйщим этапом робот
являеться определение наиболее
эффективный и мало затратный
способ
рекультивации
с
наименьшим объемом земляных
работ с помощью построения TIN
результатов рекультивации.
Чтобы
выполнить
поставленую задачу необходимо
выполнить ряд операций:
1. Оценка ситуации на местности и
построение
плана
работ
результаты которых удовлетворят
заказчика.
2. Определениенаиболие
эффективного метода проведения
земляных работ.
3. Построение TIN-модели рельефа
по
результатам
работы
програмного продукта «Еrdas
Іmagine».
Математическая основа инструмента
«Surface Volume»
Рис. 5 - TIN-модель карьера до
проведения работ
4. Построение нескольких
TINмодели рельефа по наиболие
приемлемым планам земляных
работ.
5. Построение растровой модели,
которая содержит информацию о
разности высот между начальным
рельефом, до проведения работ и
планируемым
результатом
рекультивации рельефа.
6. Определение объема земляных
работ по полученым данным и
выбор TIN-модели с миниальным
результатом.
Инструмент «Surface Volume»
используется
для
определения
объема между поверхностью, он
задается
в
строке
«Входная
поверхность (Input Surface)» и
плоскостью с определенной высотой
и задается в строке «Высота
плоскости (Plane Height)».
Если «Входная поверхность
(Input Surface)» (рис.7) - набор
данных TIN или terrain, то созданная
растровая модель.
«Высота плоскости (Plane
Height)» или {base_z} в python
представляет
собой
высоту
горизонтальной
плоскости,
используя которую производятся
вычисления.
Рис. 7 – Объем между
площадями
В
самом
программном
обеспечении
«ArcGis»
для
определения объема используются
интегралы:
V   f ( x, y, z )dxdydz
Рис. 6 - TIN-модель прогноза
рекультвации
(1)
Мы привели в данном пункте
свой способ определения объема.
Рассмотрим TIN модель. Она
состоит из треугольников, в которых
известны координаты и высоты
углов. Спроектируем один
треугольник на плоскость с высотой
z**. Полученную фигуру разобьем
плоскостью проходящей через
самую низкую точку треугольника
TIN модели и параллельно
плоскости «Z**».
В результате получим две
фигуры (рис.8):
 пирамида 3 1 2* 1* (вершина точка 3), назовем ее
«Пирамида А»;
 тригональная пирамида 1* 2*
3 3** 1** 2*, назовем ее
«Пирамида В».
В
трапеции
известны
координаты точек 1 (x1, y1 z1) и 2 (x2,
y2, z2). Координаты x и y точки 1*
равны координатам x и y точки 1,
так как находиться на одной линии
параллельной оси «Z». Таким же
образом равны координаты x и y
точек 2* и 2. Координата z точек 1*
и 2* равна координате z точки 3, так
как все три точки находятся в одной
плоскости параллельной плоскости
«XY». Таким образом, координаты
точек 1* (x1, y1, z3) и 2* (x2, y2, z3)
теперь так же известны.
Для нахождения площади
трапеции нужно знать длины
оснований l1 и l2, а также ее высоту
hтр, равной одной из боковых
сторон.
Найдем длины hтр, l1 и l2 по
формуле:
hтр  ln 
( xн  xк ) 2  ( yн  yк ) 2 
 ( zн  zк ) 2
,
(2)
Рис. 8 - Две пирамиды
где
xн, yн, zн - координаты точки начала
Определим объем каждой
пирамиды.
Начнем с «Пирамиды А», в
которой для определения объема
необходимо знать ее высоту и
площадь
основания,
которое
является трапецией (рис.9).
линии;
xк, yк, zк - координаты точки конца
линии.
По
формуле
площадь основания пирамиды:
Sосн. 
Рис. 9 - Основание пирамиды
определим
l1  l1
hтр .
2
(3)
Найдем высоту пирамиды,
равной высоте треугольника Δ1* 2*
3 (рис.10).
Рис. 10 - Высота пирамиды
Нам известны координаты
всех точек треугольника, поэтому с
помощью формулы (2) найдем
длины сторон а, b и c.
Находят полупериметр по
формуле:
abc
p
.
2
(4)
Далее с помощью «Формулы
Герона»
находим
площадь
треугольника:
S  p  ( p  a)  ( p  b)  ( p  c).
(5)
Теперь
приступим
к
определению объема тригональной
пирамиды.
В тригональной пирамиде
известны координаты точек 1 * (x1,
y1, z3), 2 * (x2, y2, z3), 3 (x3, y3, z3).
Координаты x и y точки 1 ** равны
координатам x и y точки 1 *, так как
находиться
на
одной
линии
параллельной оси «Z». Таким же
образом равны координаты x и y
точек 2 * и 2 **, 3 и 3 **.
Координата z всех точек равна
высоте плоскости на которую
выполнялась проекция, т.е. z **.
Таким образом, координаты точек 1
** (x1, y1, z **), 2 ** (x2, y2, z **) и
3 ** (x3, y3, z **) теперь так же
известны.
Рассмотрим
некоторые
векторы, на которых построена
пирамида. Зная координаты начала и
конца каждого вектора, найдем
проекции этих векторов на оси
прямоугольной системы координат:
1* 3( x1  x3 , y1  y3 , z3  z3 ),
2* 3( x2  x3 , y2  y3 , z3  z3 ),
В результате с помощью
определенной площади находим
высоту:
Ha 
2S
.
a
(6)
Таким образом, теперь с
помощью полученных результатов
мы можем найти объем пирамиды по
формуле:
1
Vпир.  Sосн. H a .
3
(7)
3** 3( x3  x3 , y3  y3 , z **  z3 ).
Объем
тригональной
пирамиды
найдем,
используя
формулу:
a11 a12 a13
1
Vтригон.пир.   a21 a22 a23 
2
a31 a32 a33
x1  x3
1
  x2  x3
2
x3  x3
y1  y3
y2  y3
y3  y3
z3  z3
z3  z3 .
z **  z3
(8)
Таким образом, зная, объемы
двух составляющих нашей фигуры,
найдем ее объем по формуле:
𝑉 = 𝑉пір + 𝑉тригон.пір. .
(9)
Вычислить
объем
всего
объекта, по которому построена TIN,
можно, рассмотрев таким образом
каждый элемент модели и найдя их
сумму:
Vобъекта  V1  V2  V3  ...  Vn .
(10)
По
данным
этого
математического обоснования не
очень сложно задать программный
код для определения объема, но
суммарная скорость решения данной
задачи не будет соответствовать
требуемой. По этой причине
создатели «ArcGis» используют не
столь объемные операции, что
позволяет
более
эффективно
использовать данный программный
продукт.
Выводы
Целью данной работы было
создание пректа, в котором были
созданы
предложения
по
рекультивации
территорий,
в
результате деятельности человека
потеряла свою ценность.
Во-первых, это поиск и
рекультиваци земель, из которых
можно
получить
наибольшую
пользу. Определение основных их
характеристик, проблем которые
через эти земли возникли, вынесение
предложений по решению этих
проблем
с
последующим
возможным доходом, может быть
значительным.
Для большей экономичности
земляных работ и повышения их
качества и эффективности было
предложено использовать ГИСтехнологий. То есть использование
возможностей современной науки
для решения экономических и
экологических
проблем,
существующих на сегодняшний
день.
Как видно из проведенного
исследования
и
полученных
результатов рекультивация земель
техногенного характера, особенно в
городской черте, имеет огромный
экономический, экологический и
хозяйственный потенциал, который
необходимо
использовать
и
развивать в пределах Лысой горы
города Харькова.
Литература
1.Куштин
И.Ф.
«Инженерная
геодезия» / Куштин И.Ф., Куштин
В.И. – Ростов-на-Дону: «Феникс»,
2002. – 425 c.
2.Тищенко
Г.В.
Использование
карьеров горного и природного
Крыма
в
решении
«Водной
проблемы»
/
Тищенко
Г.В//
«Строительство
и
техногенная
безопасность». – 2010 – № 32. – 62 c.
3.Тищенко Г.В. Рекреационный
потенциал отработанных карьеров
Сакского района / Тищенко Г.В//
«Строительство
и
техногенная
безопасность». – 2010 – № 32. – 62 c.
4.Wikimapia [Электронний ресурс]. –
Режим
доступа:
http://wikimapia.org/25059406/ru/carri
er.html
5.Wikipedia [Электронний ресурс]. –
Режим
доступа:
http://ru.wikipedia.org/wiki/SketchUp.
html
6.Дослідження
нової
науки
[Электронний ресурс]. – Режим
доступа:
http://dnn.su/budivnictvo/344rekultivaciya-karerov-v-usloviyaxgorodov.html
7.Справка ArcGIS 10.1 [Электронний
ресурс].
–
Режим
доступа:
http://resources.arcgis.com/ru/help/mai
n/10.1/index.html
8.Географические информационные
системы
и
дистанционное
зондирование [Электронний ресурс].
–
Режим
доступа:
http://gislab.info/qa/stereo-erdas.html