Разработка принципов идентификации водных объектов для целей мониторинга поверхностных вод (v 2).

Серов А.В. – начальник отдела градостроительного кадастра.

Огродовая Л.Я – ведущий специалист отдела экологического мониторинга.

Обзор существующих систем идентификации

На территории Республики Коми в настоящий момент действуют четыре исторически сложившиеся системы идентификации применяемые для решения различных задач в области мониторинга поверхностных вод. Сводные данные по системам идентификации приведены в таблице 1.

Таблица 1. Данные об используемых системах идентификации.

Система идентификации гидрологических постов

Для мониторинга гидрологического режима водотоков на территории республики создана сеть постов Центра государственной метеорологической службы Республики Коми (ЦГМС РК).

Каждый пункт наблюдения имеет свой уникальный номер, представляющий собой пятизначное число. Данное число называется «Код поста».

Первые два знака Кода поста представляют собой номер гидрографического района по единой для РФ и всех стран-членов Всемирной метеорологической организации (ВМО) системе деления территории на бассейны. Следующие три цифры представляют собой трехзначный номера пункта наблюдений в данном гидрографическом районе.

Код поста:

Система идентификации гидрохимических постов и точек отбора проб

Гидрохимические наблюдения выполняются на пунктах контроля качества воды ЦГМС РК. 

Каждый пункт контроля имеет свой уникальный номер, представляющий собой пятизначное число. Данное число называется «Номер пункта». Первые две цифры представляют собой номер управления, которому принадлежит данный пост. Последние три цифры – порядковый номер пункта.

В каждом пункте существует несколько точек измерений гидрохимических параметров которые называются «створами». Каждый створ имеет семизначный код, который называется «Код створа». Первые пять цифр кода створа представляют собой номер пункта. Последние две цифры представляют собой уникальный номер створа в данном пункте.

В каждом створе отбор может проводиться в нескольких точках в живом сечении потока. Каждая точка измерения имеет свой уникальный девятизначный номер который называется «координатный номер точки отбора проб». Номер представляет собой закодированное значение широты и долготы точки измерения. 

Номер пункта:

Код створа:

Координатный номер точки отбора проб:

Система идентификации водных объектов «Гидрологическая изученность»

Данные о водных объектах, расположенных на территории Российской федерации содержатся в специальном справочнике, который называется «Гидрологическая изученность».  Справочник «Гидрологическая изученность» создавался с использованием картографических материалов масштаба 1:1000000, по этой причине в нем содержатся сведения не о всех водотоках. По опыту работы РГУ «НТЦ АГИКС РК», на картах масштаба 1:200000 до 20% водотоков не описаны в «Гидрологической изученности».

Согласно «Гидрологической изученности», каждому водному объекту присваивается уникальный  код, представляющий собой 9-значную группу, в которой:

q     первая цифра – вид водного объекта (для водотоков принято число «1»).

q     вторая и третья – условный номер бассейна моря или крупного района, соответствующий номеру тома справочника «Гидрологическая изученность», в котором приведены сведения о данном водоеме (водотоке),

q     четвертая – условный номер бассейна главной реки, соответствующий номеру выпуска справочника,

q     с пятой по девятую – порядковый номер водотока (водоема) в таблице 2 (4) «Гидрологической изученности».

Номер водного объекта:

Таблицы гидрографической изученности содержат ряд важных параметров, которые могут быть использованы для построения сетевых моделей водных (речных) систем.

В частности для каждого водотока указаны:

q       название водотока [2]

q       длина водотока

q       номер водотока в который он впадает

q       расстояние от устья главного водотока до места впадения (в км)

q       берег главного водотока, с которого впадает данный водоток [3]

Проблемы существующих систем идентификации

Все системы идентификации имеют три основные проблемы:

1.          Узкоспециальная направленность. Каждая из систем направлена на решение некоторой определенной задачи и с трудом может быть преобразована в универсальную

2.          Системы не являются иерархическими. Это делает идентификаторы малопонятными и затрудняет дополнение систем новыми объектами, а так же порождает проблемы технического характера (сложность выполнения запросов)

3.          Недостаточный охват объектов системой идентификации. Особенно это касается «Гидрологической изученности», согласно топографическим картам масштаба 1:200000 до 20% объектов не имеют своих идентификаторов.

Еще одной проблемой является низкое качество идентификации объектов в системе «Гидрологической изученности». По опыту работы РГУ «НТЦ АГИКС РК» и предприятия «Уралгеоинформ» в таблицах имеется значительное количество технических ошибок.

Задачи, стоящие перед системой идентификации, предназначенной для целей ведения мониторинга водных объектов

Система идентификации в рамках задач проведения мониторинга является многофункциональной и должна учитывать как технические требования, так и «человеческий фактор». Технические требования заключаются в первую очередь в том, чтобы идентификаторы могли быть легко использованы для решения основных задач по работе с данными мониторинга с использованием компьютеров (в первую очередь это быстрый поиск, отбор и обобщение информации). «Человеческий» фактор заключается в том, что идентификатор мог быть максимально удобочитаемым и, по возможности, не громоздким. Важность учета «человеческого» фактора заключается в том, что в Республике Коми, как минимум еще несколько лет (в худшем случае – десятков лет) отдельные элементы учета будут вестись традиционным способом. В этом случае сложный идентификатор может привести к большому количеству технических ошибок.

Сформулируем основные требования к системе идентификации:

1. Система идентификации должна быть иерархической, учитывающей порядок идентифицируемого водотока
2. Система идентификации должна быть максимально простой, легко воспринимаемой человеком
3. Система идентификации должна быть максимально легко дополняемой
4. Система идентификации должна быть самодокументированной [4]
5. Система идентификации должна быть адаптирована к выполнению запросов посредством языка SQL.
6. Совместимость с идентификаторами разработанных ранее систем идентификации (по возможности).

Рассмотрим более подробно п. 5. Для уточнения требований п.5, необходимо определить множество операций, которые будут выполняться при помощи SQL.  Эти операции следующие:

q         Получение информации по определенному объекту

q         Обобщение информации по бассейну той или иной реки, любого порядка

q         Добавление новой записи объекта расположенного в определенном бассейне, с одновременной генерацией нового уникального идентификатора

Очевидно, что решить все поставленные задач в рамках одной системы идентификации невозможно. По этой причине разработка системы идентификации является комплексом мер, включающих два основных этапа:

1.          Разработка условного деления территории на районы и подрайоны, в зависимости от глубины иерархии системы

2.          Разработка принципов организации информации в цифровых картах и базах данных, с использованием предлагаемой идентификации

Система идентификации объектов мониторинга водных ресурсов

Предлагаемая к созданию система идентификации состоит из двух частей: основной и вспомогательной.

Основная часть направлена на создание собственно системы идентификации водных объектов, порядка формирования идентификаторов и принципов формирование условного деления территории Республики Коми, необходимой для идентификации.

Вспомогательная часть направлена на решение проблем, связанных с одновременным использованием старых и новых систем идентификации, отбора и обобщения данных посредством запросов. Вспомогательная часть призвана решить те проблемы, которые не удается решить непосредственно (т.е. не прибегая к другим инструментам ) с использованием предлагаемой системы идентификации

Формирование идентификаторов

Для формирования идентификаторов предлагается использовать принцип положенный в основу «Гидрологической изученности».

Перед идентификацией объектов создается условное деление территории Республики Коми на крупные речные бассейны. Деление предусматривает два уровня иерархии.

Первый уровень – деление на речные бассейны крупных рек или морей (бассейны рр. Кама, Печора, Северная Двина, Мезень). Второй уровень должен включать бассейны наиболее крупных рек принадлежащих бассейнам первого уровня. Основное требование к отбору бассейнов второго уровня - примерно одинаковая площадь водосбора. В каждом бассейне первого уровня должно быть выделено несколько десятков бассейнов второго уровня «подбассейнов» (до 99-ти, желательно 20-30). При делении основных бассейном на подбассейны необходимо так же иметь в виду, что они будут являться единичной территорией, по которой может проводиться обобщение гидрологической информации и результатов измерений [5] .

Далее, на основании условного деления проводится идентификация, следующим образом:

Идентификатор представляет собой 9-ти разрядное десятичное число:

1. Первая цифра представляет собой номер бассейна первого уровня иерархии (1..4),
2. Вторая и третья цифры – номер бассейна второго уровня или «подбассейна» (1..99)
3. Четвертая цифра представляет собой тип водного объекта (1-река, 2-озеро),
4. С  пятой по десятую цифры – порядковый номер водотока, без соблюдения иерархии водосборов (1..99999) [6] .

Идентификация площадей водосбора совпадает с нумерацией водных объектов.

Организация информации в цифровых картах и реляционных базах данных

Ниже, в виде спецификации базы данных предлагаются принципы организации информации в цифровых картах и реляционных базах данных, предназначенной для работы с новой системой идентификации. В главу включены только вопросы связанные с использованием систем идентификации.

Для связи различных систем идентификации создается специальная базовая таблица «Гидрологические объекты», которая содержит идентификаторы водных объектов согласно Гидрологической изученности и в новой системе идентификации.

Результаты измерений проводимых Росгидрометом должны сводится в ряд реляционных таблиц, отношения между которыми показаны на Диаграмме 1. Поставляемые в настоящий момент таблицы измерений не преобразованы к форме, удобной для формирования запросов посредством SQL, хотя и содержат все необходимые данные. При формировании банка данных мониторинга необходимо решить задачу нормализации этих таблиц. Идентификаторы водных объектов в таблицах Росгидромета даются согласно «Гидрологической изученности».

  Диаграмма 1. Реляционная диаграмма базы данных измерений Росгидромета (поля в таблицах показаны выборочно).

Отношения между таблицей «Гидрологическая изученность» и данными «Цифровой модели гидрографической сети Республики Коми» [7] (таблицей RAT – Route attribute table) показаны на диаграмме 2.

Диаграмма 2. Отношение между таблицей «Гидрологические объекты» и таблицей RAT цифровой векторной модели гидрографической сети (служебные поля ARC/INFO опущены).

Обратим внимание на структуру таблицы RAT. Она может быть преобразована к виду, который представляет собой свернутое изображение графа речной сети Республики Коми (согласно количеству основных бассейнов этот граф является четырехсвязным) в виде списка инцидентных вершин этого графа (вершинами являются места впадения водных объектов друг в друга и их истоки). Эта таблица может служить основой для автоматического создания другой таблицы, которая может помочь формированию SQL запросов для выборки объектов по речному бассейну. Структура связи данной таблицы с таблицей «Гидрологические объекты» приведена на Диаграмме 3.

Диаграмма 3. Отношение между вспомогательной таблицей и таблицей «Гидрологические объекты».

В поле №2 Вспомогательной таблицы вносится не только номер того гидрологического объекта (бассейна), в который непосредственно впадает данная река, но так же номера всех бассейнов более низкого порядка, в котором расположен данный гидрологический объект.

Пример.

Пусть река с идентификатором 101100005 впадает в реку с идентификатором 101100004, а та, в свою очередь в реку с идентификатором 101100001. Тогда Вспомогательная таблица будет выглядеть следующим образом:

Использование SQL

Предположим, что нам необходимо найти все реки, принадлежащие речному бассейну с идентификатором 101100001, тогда мы можем воспользоваться следующим SQL запросом:

SELECT Rivers.[RiverID] INTO RiversWithin101100001

FROM Rivers INNER JOIN RiverRelations ON Rivers.[RiverID] = RiverRelations.[RiverID]

WHERE (((RiverRelations.[RiverID2])=101100001))

GROUP BY Rivers.[RiverID];

Где таблица «Гидрологические объекты» называется Rivers, Вспомогательная таблица называется RiverRelations, Поле №1 называется RiverID, а Поле №2 – RiverID2.

Создание SQL запросов на отбор и обобщение информации по конкретному объекту или бассейну, а так же генерацию нового уникального номера объекта попадающего в определенный бассейн не составляют большого труда.

Ниже приведен пример добавления новой записи (для вновь учитываемого гидрологического объекта) для бассейна код которого 101100001.

Шаг №1. Добавление новой записи в таблицу «Гидрографические объекты»

INSERT INTO Rivers ( [RiverID] ) SELECT Max(Rivers.[RiverID])+1 FROM Rivers;

Шаг №2. Добавление записей во вспомогательную таблицу.

SELECT  * INTO TmpTable FROM RiverRelations WHERE RiverRelations.[RiverID])=101100001

UPDATE TmpTable SET RiverID=Max(Rivers.[RiverID])

INSERT INTO RiverRelations SELECT * FROM TmpTable;

INSERT INTO RiverRelations ([RiverID], [RiverID2]) VALUES (Max(Rivers.[RiverID]), 101100001)