Авторизация

Логин:
Пароль:
Восстановить пароль
Регистрация
  • Форум
  • Блоги
  • Контакты
  • Новости
  • Продукты
  • Отрасли
  • Обучение
  • Поддержка
  • События
  • О компании
  • 1 (40) | 2007 ГИС комплексной оценки состояния окружающей природной среды

    Алексеев В.В., Куракина Н.И., Желтов Е.В., Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ», Санкт-Петербург, тел.: (812) 234-93-93, E-mail: NIKurakina@eltech.ru

    Во всем мире экологическим проблемам сейчас уделяется повышенное внимание. И это не удивительно. Бурное развитие хозяйственной деятельности людей создало все предпосылки реальной возможности экологического кризиса. В этой связи большое значение приобретает направление, связанное с количественной оценкой антропогенных воздействий, созданием систем комплексной оценки состояния экологической обстановки, а также моделированием и прогнозированием развития ситуации. Создание подобных систем в настоящее время невозможно без использования современных компьютерных инструментов. Одним из важных инструментов являются ГИС-технологии.

    Оценка состояния сложных природных объектов подразумевает всесторонний анализ воздействия различных факторов. Получение комплексных оценок затруднено многообразием характеристик объекта, разнотипностью доступной информации, что повышает актуальность задачи обеспечения метрологической сопоставимости разнородных данных.

    Система комплексной оценки ОПС

    Нами создана геоинформационная система комплексной оценки, моделирования и прогнозирования состояния окружающей природной среды (ОПС). Она базируется на топографической основе с единой системой координат, на базах данных, имеющих единую организацию и структуру и являющихся хранилищем всей информации об анализируемых объектах, на наборе программных модулей для получения оценок по ранее разработанным алгоритмам [1].

    Система позволяет:

    • осуществлять сбор, классификацию и упорядочивание экологической информации;
    • исследовать динамику изменения состояния экосистемы в пространстве и во времени;
    • по результатам анализа строить тематические карты;
    • моделировать природные процессы в различных средах;
    • оценивать ситуацию и прогнозировать развитие экологической обстановки.

    Часть работ велась совместно с Невско-Ладожским бассейновым водным управлением, зона действия которого распространяется на Северо-Западный регион и включает Санкт-Петербург и Ленинградскую область, Новгородскую и Псковскую области, республику Карелия и Калининградскую область. Соответственно, вся информация собрана и систематизирована для этого региона.


    Рис. 1.
    Топооснова системы комплексной оценки.

     

    Топографическая основа системы комплексной оценки служит для визуализации результатов исследований и пространственного анализа (рис. 1). Основной информационной единицей топоосновы являются листы цифровых карт масштаба 1:200 000. Топографическая основа представляет собой набор структурированных в виде отдельных слоев данных о местности: реки, озера, дороги, леса, посты контроля и т.д.

    База данных системы комплексной оценки включает:

    • базу результатов контрольных измерений;
    • базу характеристик природных объектов;
    • базу характеристик источников загрязнения;
    • нормативную базу.

    База контрольных измерений является основой системы мониторинга состояния окружающей среды, позволяющей оперативно оценивать экологическую ситуацию в заданном районе и представлять ее на карте [4].

    Система позволяет исследовать динамику загрязнения в пространстве и во времени, в том числе:

    • проводить анализ в заданной точке для выбранных показателей по датам наблюдений (временной анализ);
    • получать нормированные оценки;
    • формировать усредненные оценки по заданному показателю по перечню контрольных постов (пространственный анализ) и строить тематические карты (рис. 2);
    • рассчитывать интегральные оценки.


    Рис. 2.
    Пространственный анализ состояния водного объекта.

     

    Функциональные возможности системы

    Единая база природных объектов и источников загрязнения обеспечивает возможность моделирования распространения вредных веществ в воздушной и водной средах с целью исследования сложившейся обстановки и выработки рекомендаций по ликвидации последствий кризисных ситуаций и по рациональному природопользованию. Модели распространения загрязняющих веществ в воде и в воздухе учитывают технологические характеристики предприятий (экологический паспорт), географическое местоположение, метеорологические условия [3].

    Реализована модель распространения примеси в воздухе, основанная на методике ГГО, называемая ОНД-86. Результатом работы модели является поле концентраций, представленное в виде слоя ГИС (рис. 3).


    Рис. 3.
    Моделирование распространения примеси в воздухе.

     

    Для водотоков реализована модель конвективно-диффузионного переноса загрязняющих веществ. Моделирование распространения загрязняющих веществ осуществляется от группы водовыпусков в пределах участка или целого водного бассейна с учетом их специфики (рис. 4). Рассчитывается предельно допустимый сброс сточных вод в водные объекты. Результатом работы модели также является поле концентраций, импортируемое в ГИС.


    Рис. 4.
    Моделирование распространения примеси в водотоке.

     

    Комплексная оценка состояния сложных природных объектов строится на основе результатов контроля характеристик в различных средах (измерений уровня радиации, концентрации примеси вредных веществ, площади загрязнения и др.), результатов обследований и экспертизы, а также результатов моделирования различных ситуаций техногенного или природного происхождения. Это повышает актуальность задачи объединения количественных и качественных характеристик, соблюдения требований единства измерений.

    Методы получения комплексной оценки

    В созданной системе решена задача объединения разнородных данных для получения комплексных оценок состояния объектов окружающей природной среды на единой метрологической основе [5]. Разработаны методы построения нормированных шкал с целью объединения различных оценок, учитывающие характеристики достоверности и степени участия каждого фактора. За нормированную шкалу принята шкала с равными отрезками и условными отношениями: 0-1 – значительно ниже нормы (ЗНН); 1-2 – ниже нормы (НН); 2-3 – норма (Н); 3-4 – выше нормы (ВН); 4-5 – значительно выше нормы (ЗВН).

    Для оценки качеств результатов контрольных измерений используется нормирование относительно предельно допустимой концентрации (ПДК). Плоскость соответствия нормированных значений контрольных измерений и качественных оценок изображена на рис. 5.


    Рис. 5.
    Плоскость соответствия нормированных значений и качественных оценок.

     

    Каждый результат измерений представляет собой случайную величину, истинное значение которой находится в интервале x*=x± ks  [2]. В этом случае принятие того или иного значения контролируемой величины на нормированной шкале качественных отношений может быть определено как вероятность нахождения значения измеряемой величины в соответствующем интервале значений концентраций. Вероятность принятия того или иного значения качества может быть определена как:

    (1)

    Выбор граничных значений (Ci) зависит от класса опасности вещества и региона обследования, что объясняется конкретной экологической обстановкой и существующей нормативной базой.

    В случае, когда для оценки отдельных объектов ОПС используются сложные характеристики, значение некоторого обобщенного показателя определяет качественное значение контролируемой характеристики. Сложность состоит в том, что качественные шкалы для разных сред и методик различны. В этом случае задача нормирования сложных оценок сводится к приведению таких шкал к нормированной [5].

    В программной системе реализованы алгоритмы получения качественных оценок по результатам контрольных измерений, учитывающие существующие стандартные методики для воздушной и водной сред (рис. 6). Осуществлено приведение различных качественных шкал к нормированной.


    Рис. 6.
    Оценка состояния водной среды.

     

    В силу малочисленности данных химического анализа часто, наряду с результатами контрольных измерений, используются результаты обследований, опросов и экспертных оценок. В программной системе создан модуль, реализующий получение и обработку экспертных оценок.

    При обработке результатов обследований значение каждой величины, также как результаты контрольных измерений, определяет степень загрязненности объекта и может быть связано с нормированными характеристиками объекта. Результаты обработки экспертных оценок суммируются в нормированной шкале. При этом оценка, соответствующая каждому признаку, должна быть приведена к нормированной характеристике a рk=1. Результаты имеют географическую привязку и могут быть нанесены на карту (рис. 7).


    Рис. 7.
    Экспертные оценки.

     

    Комплексная оценка состояния объектов ОПС получается в результате объединения данных разного типа (результатов контрольных измерений в разных средах, результатов моделирования, обследования и экспертных оценок). При этом задача объединения превращается в задачу суммирования характеристик различных оценок в нормированной качественной шкале.

    Следует учитывать, что если комплексная оценка определяется на основе объединения большого числа оценок, имеющих различное распределение в нормированной шкале, то в результате объединения таких оценок велика вероятность получить равномерное распределение, при котором невозможно вынести суждение о качественной оценке состояния объекта.

    В связи с этим предлагается использовать следующий метод объединения однотипных оценок. Для каждой группы оценок, собранных, например, по средам (воздух, вода, почва) или по виду их получения (контрольные измерения, экспертные оценки, результаты моделирования) следует производить сортировку в соответствии с максимальным значением каждого качества и выбирать наиболее критичные оценки. При этом, в зависимости от поставленной задачи, алгоритм выбора критических оценок также может быть различным. Например, для оценки аварийной ситуации следует выбирать показатели, у которых максимум оценки принимает значение ЗВН (значительно выше нормы), для обычных условий следует выбирать показатели, имеющие максимум в диапазоне от Н (норма) до ЗВН.

    Сложные оценки состояния объектов окружающей природной среды могут быть получены путем объединения разнотипных данных, например, результатов контрольных измерений и визуального обследования прибрежной территории. При формировании таких оценок необходимо учитывать важность каждой используемой характеристики.

    Такие оценки представляют собой комплексную характеристику, полученную путем суммирования простых оценок с учетом их свойств в пределах групп воздействия, то есть:

    (2)

    где: *   - оператор суммирования,  xi* - простая оценка, входящая в множество важных характеристик Is, pдi - оценка степени доверия и gуi - оценка степени участия xi*.

    Степень доверия характеризует надежность используемой оценки и зависит от способа ее получения. Степень участия определяет вес используемой характеристики при формировании сложной оценки качества объекта экосистемы. Использование коэффициента участия исключает возможность получения равновероятной характеристики результата в случае суммирования большого числа характеристик и позволяет эксперту получать различные оценки в зависимости от поставленной задачи.

    Комплексная оценка состояния объектов ОПС представляет собой характеристику, полученную путем суммирования простых и сложных оценок с учетом их свойств

    (3)

    где: *   - оператор суммирования, xi* - простая оценка, входящая в множество важных характеристик I0, Si* - сложная оценка, полученная на основании использования стандартных методик объединения однотипных данных или согласно формуле (2) для данных разного типа.

    Информационная среда получения комплексной оценки обеспечивает объединение и использование распределенной информации, а ГИС технология – ее обработку в соответствии с географической или административной привязкой (рис. 8).


    Рис. 8.
    Информационная среда получения комплексной оценки.

     

    Для формирования сложных оценок на основании однотипных данных выбирается соответствующий слой (с необходимым районом и параметрами) и осуществляется обработка данных в соответствии со стандартными методиками. В случае, когда сложная оценка получается при суммировании данных разного типа, формируется проект из нескольких слоев. Каждому слою назначается коэффициент участия и формируются сложные оценки. Получаемые сложные оценки также являются слоем ГИС. Путем формирования проектов из простых и сложных оценок, а также результатов моделирования, могут быть получены оценки по средам (воздух, вода, почва и т.д.), которые также являются слоями ГИС. Объединив в единый проект оценки по средам, мы получим комплексную оценку состояния объекта на основании разнородных данных.

    Заключение

    Разработанная на базе ArcGIS ArcInfo 9.1 геоинформационная система комплексной оценки, моделирования и прогнозирования служит основой для построения многоуровневых информационно-измерительные систем (ИИС) и может быть использована при проектировании территорий и для принятия управляющих решений по охране окружающей среды и рациональному природопользованию.

    Литература

    1. Алексеев В.В., Куракина Н.И. ИИС мониторинга. Вопросы комплексной оценки состояния ОПС на базе ГИС // журнал ГИС-Обозрение.-2000.-№19.

    2. Алексеев В.В., Гридина Е.Г., Кулагин В.П., Куракина Н.И. Оценка качества сложных объектов на базе ГИС // Сборник трудов Международного симпозиума «Надежность и качество 2003». - Пенза 2003.

    3. Алексеев В.В., Куракина Н.И., Желтов Е.В. Система моделирования распространения загрязняющих веществ и оценки экологической ситуации на базе ГИС // журнал «Информационные технологии моделирования и управления», №5(23), Воронеж, 2005.

    4. Алексеев В.В., Куракина Н.И., Орлова Н.В., Геоинформационная система мониторинга водных объектов и нормирования экологической нагрузки // журнал ArcReview.-2006.-№1(36).

    5. Алексеев В.В., Гридина Е.Г., Куракина Н.И. Вопросы обеспечения единства измерений при формировании комплексных оценок // Сборник трудов Международного симпозиума «Надежность и качество 2005». - Пенза 2005.




    Версия для печати