Регистрация / Вход
Прислать материал

Применение геоинформационных технологий в задачах экологического мониторинга опасных объектов и территорий.

ФИО
Колесенков Александр Николаевич
Surname Name
Kolesenkov Aleksandr
Организация
Рязанский государственный радиотехнический университет
Область наук
Информационные технологии и вычислительные системы
Название доклада
Применение геоинформационных технологий в задачах экологического мониторинга опасных объектов и территорий.
Project title
Application of geoinformation technologies in problems of environmental monitoring of hazardous objects and territories
Резюме
В работе рассмотрена возможность применения геоинформационных технологий в задачах экологического мониторинга, моделирования и прогнозирования состояния опасных объектов и территорий. Проведен анализ существующих и перспективных решений и подходов для выполнения поставленных задач. Представлены способы адаптации алгоритмов обработки данных к работе в условиях неполной информации. Выполнены исследования методов вегетационного индексирования аэрокосмических снимков. Предложен способ применения генетического подхода для выявления экологических опасностей. Проведена оценка эффективности использования гео порталов для информационной поддержки процедур принятия решений по предупреждению, раннему обнаружению и оперативному реагированию в кризисных ситуациях.
Ключевые слова
геоинформационные системы, пространственные данные, экологический мониторинг, прогнозирование, экология, ГИС.
Тезисы

Ежегодно объекты окружающей среды подвергаются воздействию ряда неблагоприятных факторов, среди которых можно выделить пожары, затопления, загрязнения, вырубку лесов, незаконные свалки твердых бытовых отходов и т.д., которые приводит к серьезной угрозе состоянию экосистем. Актуальным является разработка математических и алгоритмических основ построения систем экологического мониторинга, способных осуществлять эффективную информационную поддержку деятельности по прогнозированию, раннему обнаружению, предупреждению, ликвидации и оценке последствий экологических катастроф.

Существующая практика построения и функционирования информационной инфраструктуры в сфере экологического мониторинга имеет существенные ограничения, в основе которых лежит применение широкого спектра разнородных программных продуктов, что влечет снижение эффективности решения поставленных задач по следующим причинам:

- специалисту необходимо освоить множество приложений, имеющих различные интерфейсы, форматы данных, особенности обработки информации;

- комплексный анализ данных требует одновременного применения нескольких приложений, совмещенного с ручным обменом данными между ними.

Целесообразным является использование современных геоинформационных систем (ГИС) и технологий для выполнения задач мониторинга, чему также способствуют следующие факторы:

- развитие геоинформационных сервисов;

- развитие баз данных ГИС-объектов;

- возможность комбинирования данных;

- актуальность данных;

- интеграция разнородных и/или разнотипных данных.

ГИС, как правило, базируется на картографической основе с единой системой координат, на базах географических данных, являющуюся местом хранения информации об анализируемых объектах и территориях, на наборе алгоритмов и программных модулей для выполнения различных задач, направленных на снижение риска возникновения экологических происшествий.

К задачам ГИС экологического мониторинга относятся:

- мониторинг и прогнозирование динамики изменения состояния наблюдаемых объектов и территорий в пространстве и во времени;

- построение тематических карт заданных территорий;

- моделирование природных и антропогенных процессов;

- раннее выявление неблагоприятных факторов.

Космический геоинформационный мониторинг

Использование ГИС совместно с космическим мониторингом позволяет сократить затраты на предупреждение экологических катастроф и автоматизировать процессы мониторинга опасных объектов и территорий. Использование электронных карт в ГИС позволяет выполнять пространственный анализ данных. Использование глобальной сети Интернет позволяет осуществлять передачу данных в режиме on-line.

Информационное обеспечение ГИС

Данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) позволяют получать недоступную для наземных методов информацию о состоянии объектов и территорий.

Комплексное использование визуальных и инструментальных подходов совместно с эффективной высокоскоростной обработкой данных ДЗЗ позволит значительно расширить территорию мониторинга, увеличить ее периодичность, повысить оперативность обнаружения неблагоприятных факторов.

Данные ДЗЗ, картографическая и атрибутивная информация может хранится в специализированной базе геоданных. Поступающая новая информация предварительно обрабатывается, после чего происходит автоматическое обновление данных, дополнение архивов, а также генерация информационных продуктов различных форматов для конечных пользователей и размещения в Интернет.

Гео-порталы

К данным о состоянии опасных объектов и территорий относится как информация о местоположении, так и различные характеристики, среди которых можно выделить площадь, направление и скорость распространения, наличие в заданном радиусе населенных пунктов, инженерных коммуникаций, дорожной сети и пр.

Визуализацию и анализ этих данных удобно проводить в режиме on-line с использованием ГИС, размещенной в Интернет. Такую возможность предоставляют гео-порталы, работа с которыми не требует наличия у пользователей специализированного программного обеспечения и знаний.

Современные ГИС-технологии позволяют объединить на гео-портале разнородные и разнотипные данные из различных источников, произведя их предварительную обработку. Для этого также требуется разработка новых и оптимизация существующих методов и алгоритмов обработки данных ДЗЗ.

При накоплении в архиве данных за определенный период появляется возможность статистического анализа как средствами гео-портала, так и с помощью независимого программного обеспечения.

Нечеткая кластеризация данных

Для оперативного выявления неблагоприятных факторов на наблюдаемом объекте или территории в системах мониторинга предлагается использовать метод кластеризации пикселей аэрокосмических изображений по уровням яркости на основе теории нечетких множеств.

Концепция частичной принадлежности, когда пиксель изображения может принадлежать одновременно нескольким кластерам, позволяет более точно вычислить элементы кластера и использовать это для дальнейшей обработки изображения.

Вегетационное индексирование

Мониторинг динамики состояния объектов окружающей среды  предлагается провести с применением подходов, в основе которых лежит применение нормализованного вегетационного индекса. Вегетационные индексы представляют собой показатели, которые вычисляется в результате обработки мультиспектральных данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).

Использование индексов дает более точные результаты для оценки количества и состояния растительности. Использование отражения в узких спектральных каналах позволяет этим индексам фиксировать даже небольшие изменения состояния растительности. Но для расчета этих индексов необходимы данные в узких спектральных зонах. Индексы этой группы также отражают общее количество и состояние растительности.

Эволюционный подход

Особое внимание в работе уделяется эволюционному моделированию, включающему применение генетических алгоритмов в задачах экологического мониторинга объектов и территорий. Формирование новой популяции осуществляется за счет использования операторов селекции, мутации и скрещивания.

Полученный в результате работы программный модуль позволяет моделировать динамику изменений основных параметров экосистем, динамику взаимодействия экосистемы с ее окружением для своевременного прогнозирования экологических катастроф и адекватной оценки масштаба ущерба, нанесенного катастрофами, а так же предоставляет возможность контроля состояния опасных объектов и территорий.

Методика оценки риска

Оценка риска принятия решений обнаружения, моделирования, сопровождения и оценки очагов пожаров проводится на основе логико-вероятностного исчисления (ЛВИ), которое предназначено для количественной оценки безотказности сложных технических структур. Она базируется на правилах замещения логических аргументов в функциях алгебры логики вероятностями их истинности, а логических операций - арифметическими.

Привлекательность ЛВИ заключается в его исключительной четкости и однозначности количественной оценки риска, а также в больших возможностях при анализе влияния любого элемента на надежность и безопасность всей системы.

Прогнозирование ЧС

ГИС также предоставляет уникальные возможности по сбору, обработке, систематизации и анализу данных о системах жизнеобеспечения, транспорта, жилищно-коммунального хозяйства, а также информационной поддержке процедур принятия решений по предупреждению, раннему обнаружению и оперативному реагированию.

Использование ГИС позволит строить различные виды прогнозов динамики состояния потенциально опасных объектов, осуществлять визуализацию характера и площади возможной угрозы на картографической основе в виде двумерных и трехмерных проекциях. Разработка новых методов и алгоритмов обработки и анализа данных в ГИС позволит осуществлять мониторинг, моделирование и прогнозирование динамики изменения параметров ЧС до опасных пороговых значений и их возможных последствий.

Заключение

Применение современных ГИС-технологий позволяет существенно сократить время сбора, обработки, анализа и распространения данных, тем самым повышая качество предоставляемых данных выполнения задач экологического мониторинга опасных объектов и территорий. На основе имеющейся информации ГИС позволяют осуществлять моделирования различных типов и видов ЧС.

Интегрированная разнородная информация позволяет повысить точность прогнозирования временных и координатных характеристик предполагаемых воздействий, а также оценить возможные масштабы и последствия.

Разработанная технология позволяет осуществлять мониторинг экосистем, включая оценку и прогнозирование состояния наблюдаемого объекта или территории под воздействием неблагоприятных факторов, поиск источников загрязнения, контроль вредных выбросов, мониторинг природных ресурсов.

Статья подготовлена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации и стипендии Президента Российской Федерации. 

Summary of the project
The paper considers the possibility of application of geoinformation technologies in environmental monitoring problems, modeling and forecasting of hazardous objects and territories. The analysis of existing and future solutions and approaches for the tasks. We present ways to adapt data processing algorithms to work in conditions of incomplete information. The studies of methods of vegetation index space images. A method of using a genetic approach to identify environmental hazards. The efficiency of the use of geo-portals for information support for the prevention of decision-making procedures, early detection and rapid response in crisis situations.
Keywords
geographic information systems, spatial data, environmental monitoring, forecasting, ecology, GIS.