Суровые климатические условия Якутии в зимний период влияют на формирование сплошного, мощного ледяного покрова на реках. Многие крупные реки Якутии текут в северном направлении. С наступлением весны происходит разрушение ледяного покрова в верхнем течении под воздействием солнечной радиации, тепла воздуха и воды, а также механических сил, возникающих в результате прихода интенсивного водного потока ранее вскрывшихся малых притоков рек. Однако в нижнем течении рек еще сохраняется неразрушенный сплошной ледяной покров. В результате значительный объем прочного льда, направление течения реки и развития волны весеннего половодья, множество русловых препятствий для движения льдин в виде излучин, перекатов, островов – все это создает достаточные условия для образования ледовых заторов при вскрытии северных рек. Для прогнозирования условий прохождения весеннего половодья и формирования заторов льда необходима информация о строении и толщине ледяного покрова рек в предвесенний период.
В настоящее время в мире для оперативного исследования состояния ледяного покрова на протяженных участках рек в период ледостава успешно применяется метод георадиолокации [1; 2]. В лаборатории георадиолокации ИГДС СО РАН разработана и апробирована методика георадиолокационных исследований ледяного покрова реки Лена с использованием воздушного судна [3-5]. Методика применяется в Республике Саха (Якутия) в рамках совместных научно-производственных работ, проводимых ГБУ РС (Я) «Служба спасения РС (Я)». По результатам этих работ было установлено, что с помощью методики можно получать оперативную информацию о толщине и структуре ледяного покрова на реках, что позволяет заранее выявлять места, потенциально опасные для образования ледовых заторов. Стоит отметить, что для визуализации текстовых данных георадиолокации используется геоинформационная система QGIS [6], позволяющая картировать пространственное распределение неоднородности толщины льда. Однако у системы есть ряд недостатков: нестабильная работа системы, большой набор данных, требующих ручной обработки, ограниченный функционал графического представления табличных данных; ручная коррекция анализа данных. Таким образом, актуальным является разработка нового приложения, которое позволит получать в реальном времени и визуализировать георадиолокационную информацию.
Целью исследования является автоматизация работ с данными георадиолокационных исследований ледяного покрова реки Лена. Для достижения цели были поставлены две основные задачи: 1) отображение толщины льда реки Лена на исследованных участках;
2) создание гистограмм и графиков толщины льда по выбранным параметрам.
Автоматизация работы с результатами георадиолокационных исследований ледяного русла реки Лена позволит оперативно оценить пространственное распределение толщины льда с целью выявления локальных участков толстых льдов и контактов льда с дном, которые могут стать потенциальным препятствием для движения весеннего ледохода.
Материалы и методы исследования
Разработанная методика георадиолокационных исследований состояния ледяного покрова рек включает в себя планирование маршрутов на участках измерений, параметры полета воздушного судна, оптимальные параметры георадиолокационных измерений, алгоритм обработки и интерпретации полученных результатов измерений [3-5]. При выполнении исследований с самолёта EuroStar SLW используется модифицированный георадар «ОКО-2» с антенным блоком АБ400 (центральная частота 400 МГц). Управление работой георадара «ОКО-2», ввод оптимальных параметров измерений, визуализация процесса измерений, запись полевых материалов осуществляется мобильным полевым компьютером с установленной программой GeoScan32 (группа компаний «Логис-Геотех»).
Планирование маршрута исследований на масштабных участках осуществляется с помощью спутниковых снимков Sentinel-2 (Scihub.copernicus.eu), полученных в период замерзания реки, на которых хорошо прослеживается незамерзшее основное русло реки. Следование по запланированному маршруту осуществляется при помощи бортового GPS-навигатора. Привязка данных исследований на местности выполняется GPS-приёмником георадара. Рекомендуемая скорость и высота полета ВС при исследовании ледяного покрова составляет 100-150 км/ч и 20-30 м. Указанные летные параметры основаны на требованиях безопасности полета воздушного судна и экономии ГСМ при выполнении масштабных исследований.
Для представления информации о толщине и строении льда используется разработанный алгоритм обработки и интерпретации данных георадиолокации, включающий 4 этапа [5]. На первом этапе при обработке полевых данных в программе GeoScan32 производится повышение качества георадиолокационных сигналов, отраженных от границ льда. На втором этапе выполняется визуальный детальный анализ структуры волновой картины, во время которого выполняются следующие действия: на радарограмме оценивается конфигурация (фрагментность, симметричность, асимметричность, субгоризонтальность, нарушенность) и фазовая корреляция осей синфазности отраженных и дифрагированных волн от границ ледяного покрова в соответствии с типом строения льда; по амплитудной выраженности и смене фазы сигналов, отраженных от границ ледяного покрова оценивается наличие воды подо льдом и контакта льда с мерзлым грунтом (дном). На третьем этапе обработка проинтерпретированных радарограмм представляет собой процесс преобразования временного разреза ледяного покрова в глубинный разрез с учётом диэлектрической проницаемости среды, которая осуществляется с помощью модуля «Слои на профиле» в программе GeoScan32. Результатом обработки проинтерпретированных радарограмм является текстовый файл, содержащий информацию о толщине льда с географическими координатами. Последним этапом является визуализация текстовых данных георадиолокации.
Для автоматизации визуализации данных георадиолокации разработан алгоритм, включающий в себя следующие этапы:
• открытие программы с интерактивной картой выбранной местности (реки Лена);
• загрузка в программу подготовленного файла .txt с географическими координатами и данными георадиолокации толщины льда по году измерений на определенном участке реки Лена;
• данные отображаются на интерактивной карте в виде цветных маркеров, определенных по классификации толщины льда (таблица);
• добавление и отображение нескольких файлов по разным годам и другим участкам реки Лена на карте;
• сохранение карты с визуализированными данными в графический файл формата «.png».
Разработка программного приложения
Перед разработкой программного обеспечения совместно с сотрудниками лаборатории ИГДС СО РАН сформировано подробное техническое задание и выдвинуты основные требования к функциям приложения:
1) чтение результатов георадиолокационных исследований толщины льда;
2) отображение данных о толщине льда на карте;
3) построение графиков и гистограмм для анализа состояния ледяного покрова рек в предвесенний период;
4) возможность сохранять полученные данные толщины льда в растровом формате.
В качестве языка программирования был выбран современный объектно-ориентированный язык программирования С#. Он позволяет разработчикам создавать разные типы безопасных и надежных приложений, выполняющихся в .NET. C# предоставляет языковые конструкции для непосредственной поддержки такой концепции работы. Благодаря этому C# подходит для создания и применения программных компонентов [7].
Средой разработки была выбрана Visual Studio (IDE) – это многофункциональная программа, которая поддерживает многие аспекты разработки программного обеспечения. Интегрированная среда разработки Visual Studio – это стартовая площадка для написания, отладки и сборки кода, а также последующей публикации приложений. Помимо стандартного редактора и отладчика, которые есть в большинстве сред IDE, Visual Studio включает в себя компиляторы, средства автозавершения кода, графические конструкторы и многие другие функции для улучшения процесса разработки [8].
Для работы с картами была выбрана библиотека GMap.NET – мощный, бесплатный, кросс-платформенный элемент управления .NET с открытым исходным кодом. Он может реализовывать функции планирования пути, геокодирования и отображения карт через Google, Bing, OpenStreetMap, ArcGIS, Pergo и т.д. в средах Windows Forms и WPF [9].
Для отображения диаграмм был использован элемент управления Chart – это специальный инструмент, с помощью которого можно легко создавать диаграммы и график. При добавлении диаграммы на форму Visual Studio создает объект Chart, который можно запрограммировать напрямую [10].
Интерфейс приложения
Главное окно приложения содержит интерактивную карту, на которой отображено русло реки Лена (рис. 1). Пользователь может приближать, отдалять и вращать карту с помощью удобных возможностей приложения. Также сверху формы располагается пользовательское меню, которое позволяет управлять навигацией приложения.
Классификация характеристик ледяного покрова рек
|
Характеристика |
Цвет |
Диапазон толщины льда, см |
Примечание |
|
Тонкий лед |
Синий |
50-100 |
- |
|
Лед средней толщины |
Зеленый |
100-150 |
- |
|
Толстый лед |
Желтый |
150-200 |
Затороопасный участок |
|
Максимально толстый лед |
Красный |
> 200 |
Затороопасный участок |
Рис. 1. Визуализация слоев георадиолокационных данных на реке Лена
Рис. 2. Построение графика толщины льда на участках реки по годам
Структура меню состоит из следующих пунктов:
• Файл
− Открыть файл (необходимо выбрать один или несколько текстовых файлов измерений толщины льда)
− Сохранить файл (рисунок с маркерами толщины льда)
− Выход (из программы)
• График (толщины льда по выбранным пользователем годам)
• Гистограмма.
Визуализация данных о толщине льда на карте происходит с помощью цветных маркеров, последовательно наложенных на карту в виде слоев, где каждый слой представляет данные по определенному году. Маркер – это метка, привязанная к широте и долготе локации карты реки Лены, на которой проведено измерение толщины льда. На изображении карты маркер представлен в виде цветного закрашенного круга, цвет которого зависит от показателей толщины льда, наложенных на карту в виде слоев по определенному году. Пользователь может управлять размерами маркеров и расстоянием между маркерами на карте.
Рис. 3. Построение гистограммы по количествам отображенных точек на карте
Для отображения данных ледяного покрова реки Лена была использована интерактивная карта OpenStreetMap. Для этого в проект была подключена библиотека GMap.NET.WindowsForms. Были реализованы возможности библиотеки для масштабирования карты при помощи стандартных кнопок «+/-». При реализации зуммера было использовано свойство Zoom объекта карты. Полученные результаты можно сохранить в формате .png. Одним из требований автоматизации было построение графика протяженности толщины льда по выбранным пользователем годам. Он был реализован с помощью компонента Chart. На рисунке 2 представлен пример построения графика толщины льда.
Построение гистограммы по количествам отображенных точек на карте происходит по выбору пункта меню «Гистограмма» и также отображается в новом окне (рис. 3).
Заключение
Для автоматизации работ с данными георадиолокационных исследований ледяного покрова рек потребовалось разработать новое программное приложение, отличное от геоинформационной системы QGIS удобством и практическим функционалом. Программный продукт «MapMarker» предназначен для автоматизации следующих контуров:
− загрузка текстовых данных георадиолокационных исследований ледяного покрова рек с географической привязкой;
− цветовое отображение толщины льда по маршруту георадиолокационных исследований;
− построение данных георадиолокации в виде графика с целью анализа толщины льда;
− формирование карты пространственного распределения толщины льда.
При создании программы были использованы различные библиотеки и фреймворки языка программирования C#. Реализованное приложение может быть полезно для оперативного получения информации о потенциальных местах мощных льдов, которые представляют возможную опасность возникновения ледовых заторов. Программа предназначена, прежде всего, для оценки состояния ледяного покрова рек Якутии в предвесенний период. Алгоритм программной разработки будет полезен также для решения широкого круга научных задач анализа результатов георадиолокационных исследований ледяного покрова рек. При необходимости программный код может быть легко дополнен и расширен необходимыми модулями. Программная разработка была протестирована и находится на стадии внедрения в эксплуатацию в лаборатории георадиолокации ИГДС СО РАН, г. Якутск.