Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор средств создания муниципальной интегрированной информационной системы 6
1.1 Этапы развития муниципальных ГИС 6
1.2. Обзор рынка геоинформационных систем 18
1.3. Разработка методики создания единой городской информационная система на основе интегрирования геопространственных данных 33
2. Развитие методов моделирования муниципальных информационных систем 37
2.1. Технологические основы создания муниципальных ГИС 37
2.2. Технологии работ с пространственными данными в задачах муниципального управления 50
2.3 Интеграция данных в муниципальных ГИС 52
2.4. Архитектура муниципальной геоинформационной системы 54
3. Разработка методов создания муниципальных гис для задач ГО ЧС 60
3.1. Чрезвычайные ситуации техногенного характера 60
3.2. Прогнозирование химического заражения 70
3.3. Методика расчета по принятию решения о защите населения 86
3.4. Мероприятия по предотвращению и ликвидации аварий с выбросом АХОВ 107
3.5. Организация действий по выявлению ХОО 127
4. Методологическая основа внедрения муниципальных ГИС в образовательных учреждениях 131
4.1. Компьютерные методы защиты образовательных учреждений 131
4.2. Основные факторы, влияющие на успешное внедрение интегрированной геопространственной системы 140
4.3 Возможные чрезвычайные ситуации в образовательном учреждении и действия по их предотвращению 143
4.4 Методические рекомендации по проведению командно-штабных учений в образовательных учреждениях 144
4.5 Методы оперативной связи при возникновении ЧС 150
Заключение 154
Список литературы 155
Приложение 164
Приложение 1 164
Приложение 2 169
Приложение 3 172
Приложение 4 190
Приложение 5 199
- Обзор рынка геоинформационных систем
- Технологии работ с пространственными данными в задачах муниципального управления
- Прогнозирование химического заражения
- Основные факторы, влияющие на успешное внедрение интегрированной геопространственной системы
Введение к работе
Актуальность. Для оперативного управления органами государственной власти любого уровня требуется привлечение в сжатые сроки разнородной (геологической, экологической, экономической и т.п.) информации, в том числе координатно-привязанной. Эта информация должна представляться в удобной для анализа форме и обеспечивать принятие наиболее оптимальных управленческих решений. Геоинформационные системы позволяют интегрировать разнородную информацию, обрабатывать ее различными методами и представлять в виде удобном для анализа.
Разработкой методологии создания геоинформационных систем занимались в России Берлянт A.M., Васин Ю.Г., Жалковский Е.А., Журкин И.Г., Тикунов B.C., Лурье И.К, Мартыненко А.В., Цветков В.Я. Известны исследования в области создания муниципальных информационных систем Симонова А.В., Сурнина А.Ф. и Целью диссертации является разработка технологий создания муниципальной информационной системы на основе интегрирования геопространственной информации и использование ее в задачах ГОЧС. В диссертации решаются следующие задачи:
1) Провести анализ существующих средства для создания муниципальных ГИС.
2) Разработать методики и технологии интегрирования геопростраственных данных в муниципальных ГИС.
3) Проанализировать методы моделирования ЧС в условиях города с целью использования их для создания системы поддержки принятия решения начальниками ГО ЧС муниципальных образований.
4) Разработать организационно-программное обеспечение для внедрения интегрированных ГИС в обеспечении безопасности образовательных учреждений.
Научная новизна выносимых на защиту результатов работы включает в себя следующее:
1) Методику создания единой городской информационной системы на основе интегрирования геопространственных данных.
2) Технологию создания и архитектуры интегрированных муниципальных ГИС.
3) Алгоритмы и программы обеспечения безопасности населения муниципального образования
4) Методику внедрения геоинформационной математической модели ЧС в образовательных учреждениях города.
Практическое внедрение:
1) Методическое и программное обеспечение было использовано в обеспечении безопасности муниципальных учреждений г. Баку.
2) Методическое и программное обеспечение поддержки принятия решения начальниками штабов образовательных учреждений внедрения в департаменте образования г. Москвы.
Обзор рынка геоинформационных систем
Географическая информационная система (ГИС) - это возможность нового взгляда на окружающий нас мир. ГИС - это современная компьютерная технология для картирования и анализа объектов реального мира, также событий, происходящих на нашей планете. Эта технология объединяет традиционные операции работы с базами данных, такими как запрос и статистичесісий анализ, с преимуществами полноценной визуализации географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта.
Программное обеспечение ГИС можно разбить на следующие категории: 1. Инструментальные ГИС - системы с наиболее широкими возможностями, включающие ввод, хранение, сложные запросы, пространственный анализ, вывод твердых копий. 2. ГИС - вьюеры предназначены для просмотра введенной ранее и структурированной информации. 3. Векторизаторы растровых картографических изображений предназначены для реализации процедур ввода пространственной информации со сканера, включают полуавтоматические средства преобразования растровых изображений в векторную информацию. 4. Специализированные средства пространственного моделирования включают системы, оперирующие с пространственной трехмерной информацией. 5. Средства обработки и дешифрирования, данных дистанционного зондирования предназначены для обработки цифровых изображений земной поверхности, полученных методами аэрофото - и космической съемки. 6. Инструментальные ГИС подразбиваются на универсальные и специализированные, полнофункциональные и с ограниченным набором функций.
К универсальным полнофункциональным ГИС относят наиболее крупные инструментально-программные комплексы, которые включают специальные графические станции, мощные устройства ввода и вывода, большой набор программных модулей для различных приложений. К таким ГИС традиционно относят InterGraph, Arclnfo. Следующей группой ГИС являются универсальные ГИС с ограниченным набором фуніщий. Эти ГИС обычно работают на персональных компьютерах фирмы ИБМ, состоят из графического редаїсгора, базы данных, средства для программирования приложений. К таким ГИС относятся: Maplnfo, Wingis, GeoDraw. Если сравнивать первые два пакета, то первый больше ориентирован на мелкомасштабные карты (он имеет большое количество географических проекций), а второй на крупномасштабные карты (имеет средства точного позиционирования).
Специализированные ГИС ориентируются на создание только одной группы карт. Так специализированной кадастровой ГИС является система CADdy. ГИС «Панорама» специализируется на работе с топографическими картами среднего масштаба.
Для работы с векторной картой в системе "ПАНОРАМА" предусмотрен целый набор сервисных функций. Создание и редактирование объектов электронной карты, выполнение расчетных операций (определение площадей, длин, направлений высот, сечение местности, построение зон вокруг объектов, построение пересечений отображения результатов обработки на электронной карте -вот далеко не полный перечень этих возможностей). Совместная обработка векторных, растровых и,матричных данных, а также их произвольное смещение друг относительно друга, позволяет не только создавать электронную карту, но и вносить оперативные изменения в зависимости от происходящих событий на местности. Существует возможность вывода изображения электронной карты в разнообразных комбинациях на внешние устройства печати.
ГИС "ПАНОРАМА" применяется для решения информационно-справочных, расчетных, навигационных и других задач в учреждениях и организациях Министерства Обороны РФ, МИД, МВД, Военно-Космических Сил, Пограничных Войск, Роскомзема, ГОСКОМСАНЭПИДНАДЗОРА, РАО "ГАЗПРОМ", РКК "ЭНЕРГИЯ", "МОГЭС" и других. Система обеспечена большими объемами цифровой информации о местности, которая может поставляться на компакт-дисках.
Для решения задач анализа видеоданных авторами системы РАСТР предложен комбинаторно-геометрический подход. При этом весь сложный комплекс задач, связанный с анализом видеоданных, рассматривается с единой точки зрения построения иерархии взаимосвязанных математических моделей описания, представления (структур данных) и принятия решений, нижний уровень которой обрабатывает информацию со сканирующего устройства ввода, а верхний уровень соответствует описанию в терминах пользователя.
В системе РАСТР были использованы математические модели нижних уровней иерархии для описания изображений, в которых изображения представляются в виде совокупности линий, контуров и точек. При этом линии и контуры не пересекаются, а контуры замкнуты. Линейно-контурная модель изображения рассматривается как базовая для всех последующих уровней моделей. На базе линейно-контурной или контурной модели строятся модели высших уровней. Для промежуточных целей предложена еще и штриховая модель - совокупность смеисных строк закрашенных одним цветом.
Задачи анализа на основе выбранных представлений могут быть сформулированы как вычислительные задачи на контурах (многоугольниках), линиях (ломаных) и точках. Ввод простых объектов (цифры, буквы, знаки) в простейшем случае сводится к сравнению контуров (многоугольников). Ввод объектов состоящих из совокупности простых объектов (подписи, числа, разрывные знаки), сводится к решению задачи поиска ближайших соседей. Ввод сложных объектов, состоящих из границ и заполнения внутренности границы другими объектами, требует массового решения задач вложенности.
Фирма Intergraph (США) разрабатывает графические рабочие станции, применяемые в самых различных областях приложений, в том числе и в картографии. Рабочие станции подобного типа могут объединяться в системы с помощью сетей (используются протоколы Ethernet), использующих серверы.
Программное обеспечение для станций фирмы Intergraph включает общесистемное, базирующееся на версиях операционной системы UNIX, а также обширный набор прикладных пакетов программ по различным областям применения: планирование транспортных систем, управление налогообложением по географическим областям, интегрированная система налогообложения, цифровые измерения, фотограмметрические данные, базовые фотограмметрические работы, географическая векторизация.
Технологии работ с пространственными данными в задачах муниципального управления
Основа любого проекта - пространственные данные. Требования к точности и составу данных разные, поэтому различаются и технологии работ с ними. Самыми крупномасштабными данными являются данные М 1:500. Одним из направлений работы является ведение векторных данных М 1:500 по городу. Эта информация используется для межевания и инвентаризации земельных участков. В Бюро Кадастра сначала планшеты М500 были векторизованы. Векторизованная информация объединена по планшетной и разбита по слоям. В ходе работ по межеванию участков проводится геодезическая съемка территории, и по материалам геодезической съемки обновляются векторные данные. Данные хранятся на сервере, что позволяет обновлять данные одновременно на нескольких рабочих местах. Кроме того, обновляются растровые данные.
Другое важное направление - планы городов и населенных пунктов М 1:2000 -М 1:5 000 для различных задач муниципального управления. Первоначально эти данные создавались векторизацией планшетов. Далее обновлялись по данным М 1:500 и геодезической съемке. Однако для данных таких масштабов это слишком трудоемкие способы. Еще один традиционный способ - аэрофото - слишком затратный, поэтому используются космические снимки высокого разрешения. Эти данные вместе с данными М 1:500 хранятся на сервере и с помощью технологии ArcIMS доступны для просмотра всем авторизированным пользователям. Эти карты являются топо основой муниципальной ГИС. По этим данным создаются атласы и карты туристическая, настенные и др.
Еще одно из направлений - подготовка данных М 1:10000 в ходе проектно-изыскательских работ по подготовке документации для постановки на кадастровый учет имущественных комплексов нефтегазовых предприятий и сельхозпредприятий. Для выполнения этих работ необходимы данные М 1:10000 - М 1:25000. Планшеты этих масштабов векторизуются и далее данные обновляются по космическим снимкам. Такие данные становятся основой для уточнения границ сельхозпредприятий картометрическим методом. Для работ по незастроенным территориям и сельхозпредприятиям выбраны снимки КФА с пятиметровым пространственным разрешением. В качестве альтернативы возможно использование снимков IRS.
Использование новых технологий создания, хранения и обновления пространственной информации - сервера ArcSDE, технологии ArcIMS, космических снимков высокого разрешения - позволяет упростить и ускорить работу с пространственными данными, упрощает контроль качества и целостности данных.
Применение геоинформационных технологий в сложном процессе управления городской инфраструктурой сопровождается целым рядом проблем, общих для всех пользователей, вынужденных одновременно использовать несколько геоинформационных ресурсов.
Одна из проблем - необходимость значительных финансовых затрат на разработку внутриведомственных информационных ресурсов, формируемых каждой структурой города при выполнении ею своих функций, а таюке затрат на приобретение необходимых ИР других ведомств и их адаптацию к собственным возможностям.
Кроме того, требуются серьезные затраты на приобретение дорогостоящего специального программного обеспечения для использования геоинформационных ресурсов, а также постоянные вложения в модификацию СПО, что может стать непосильным бременем для многих городских структур.
Как правило, эксплуатация традиционных ГИС-систем, не рассчитанных на массового пользователя (и особенно - осуществление и поддержание актуализации геоинформационных данных), вызывает затруднения у обычного пользователя и требует его специальной подготовки, либо привлечения профильных специалистов.
Кроме того, перечисленные факторы оказывают значительное влияние на ограничение доступа населения к информационным городским ресурсам, что влечет за собой усугубление проблемы информационного неравенства и не позволяет решать органам исполнительной власти города одну из существенных задач информирование жителей обо всех аспектах жизнедеятельности в городе.
Еще одна из существующих проблем - несогласованность в ведении различных геоинформационных ресурсов отдельными пользователями, бессистемность в формировании информационных ресурсов и, как результат, их избыточность и недостаточный уровень совместимости.
Наличие перечисленных проблем свидетельствует о ситуации, в которой для города стала насущной потребность в некоем централизованном интеграционном информационном ресурсе, средствами которого, с минимальными затратами для пользователей, можно было бы решить означенные проблемы. С целью преодоления, при оказании геоинформационных услуг в городе
Москве, перечисленных проблем, а также решения ряда других, была разработана Модель интеграционного информационного пространства г. Москвы, созданная на основе геоинформационных ресурсов, содержащих официальные классифицированные и гармонизированные сведения об объектах жизнедеятельности, расположенных в пределах городской территории, а также разрешенные к открытому опубликованию и актуализируемые картографические данные.
ГИС-компонента интегрированной ГИС обеспечивает доступ пользователя к данным, минуя непосредственное его обращение к средствам хранения этих данных, а также обеспечивает автоматическое обновление программного обеспечения ее клиентской части, что избавляет пользователя от необходимости дополнительного приобретения дорогостоящего СПО, техники и привлечения узко профильных специалистов. При этом, ГИС-компонента отображения позволяет решать многоплановые пользовательские задачи.
Совместимость интегрируемых данных, унификацию и стандартизацию ИР, поддержание процедур экспорта/импорта картографической и атрибутивной информации из базы данных в форматы файлов наиболее распространенных ГИС и САПР (ArcView, Maplnfo, AutoCAD, MicroStation и т.д.) и стандартизованных XML-схем спецификаций GML, а также использование среды Иитернет/Интранет с помощью XML-схем описания ОИГР— обеспечивает система классификации и кодирования объектов.
Прогнозирование химического заражения
Оперативное решение по защите производственного персонала ХОО и населения может базироваться только на результатах своевременного и достоверного прогноза показателей масштабов зоны заражения, включающих, в первую очередь, глубину и площадь зоны. Прогнозирование осуществляется непосредственно в процессе распространения облака АХОВ после аварии, а таїоке заблаговременно при разработке планов гражданской обороны на мирное время.
Руководящими документами по прогнозированию масштабов зон заражения на случай аварийных выбросов АХОВ в системе ГО в настоящее время являются "Методика прогнозирования масштабов заражения СДЯВ при авариях (разрушениях) на ХОО и транспорте" (Штаб ГО СССР, М, 1990 г.) и "Методическое пособие по прогнозированию и оценке химической обстановки в чрезвычайных ситуациях" (ВНИИ ГОЧС, М., 1993 г.).
Ориентированные на практическое использование методика и методическое пособие могут использоваться при планировании и осуществлении мероприятий по обеспечению безопасности населения и ликвидации аварий на ХОО, трубопроводах, железнодорожном транспорте. Кроме того, расчеты масштабов зон заражения с их использованием целесообразно проводить при решении вопросов о размещении и проектировании ХОО с целью обеспечения максимальной безопасности населения в случае аварий на таких объектах.
Методика и методическое пособие позволяют осуществлять прогнозирование масштабов зон заражения при выбросах АХОВ в атмосферу в газообразном, парообразном и аэрозольном состояниях, исходя из возможности возникновения аварии в технологических емкостях и хранилищах, при транспортировании железнодорожным, трубопроводным и другими видами транспорта.
Результатами прогнозирования являются: 1. Полная глубина зоны заражения АХОВ. Ее величиной учитывается суммарное воздействие первичного и вторичного облаков, увеличивающее размер зоны. При образовании только первичного или вторичного облака полная глубина зоны заражения приравнивается к глубине зоны заражения соответственно первичным и вторичным облаком. 2. Площадь зоны возможного и фактического заражения. Под площадью зоны фактического заражения понимается площадь территории, в пределах которой будет проявляться поражающее действие АХОВ.
В то же время следует учитывать, что положение направления ветра характеризуется сильной пространственной изменчивостью, зависящей от пространственного масштаба и скорости ветра. Поэтому при задании направления ветра расчетная схема должна учитывать соответствующую неопределенность. В этой связи помимо площади зоны фактического заражения к числу важнейших показателей, характеризующих масштабы заражения, относится площадь зоны возможного заражения, то есть площадь территории, в пределах которой под воздействием изменения направления ветра может перемещаться облако АХОВ. Зону возможного заражения следует рассматривать как сектор неопределенности, внутри которого находится фактическая (реальная) зона заражения. Данный сектор характеризует территорию, на которой должны приниматься меры по обеспечению безопасности производственного персонала ХОО и населения, то есть невозможно предсказать заранее, будут или нет конкретные пространства внутри сектора "накрыты" облаком АХОВ.
Время испарения пролива АХОВ. Оно определяет продолжительность поражающего действия АХОВ и зависит от физических свойств вещества, площади разлива и метеорологических условий.
Время подхода облака АХОВ к определенному рубежу. Количество и структура пораженных определяется общим количеством пораженного населения и их структурой. Оценка эффективности мероприятий по защите населения от АХОВ. Она оценивается по двум показателям: 1) предотвращенному ущербу, 2) предотвращенному ущербу-затрате. Для осуществления прогноза масштабов зон заражения лица, занимающиеся прогнозированием, должны иметь следующие исходные данные: наименование или тип АХОВ, находящихся на ХОО или в транспортных средствах; размер выброса или общее количество АХОВ на объекте и данные по размещению их запасов в емкостях и технологических трубопроводах; метеорологические условия (температура воздуха, скорость ветра на высоте 10 м, степень вертикальной устойчивости воздуха); характер выброса АХОВ в окружающую среду (разлив на подстилающую поверхность "свободно" или "в обваловку"); высота обвалования (поддона) складских емкостей.
Для упрощения расчетов вводится понятие "эквивалентное количество СДЯВ", под которым понимается такое количество хлора, масштаб заражения которым при инверсии эквивалентен масштабу заражения при данной степени вертикальной устойчивости, образованного количеством данного вещества, перешедшего в первичное (вторичное) облако.
Основные факторы, влияющие на успешное внедрение интегрированной геопространственной системы
При внедрении и сопровождения эффективной городской информационной системы с использованием геоинформации следует уделить особое внимание следующим факторам. Организация информационного сопровождения требуется всякий раз, когда возникают и требуют выполнения все новые и новые задачи муниципального управления, значительное число которых связано с экологией и защитой окружающей среды. Необходимость решения новой задачи создается новой информационной системы, для которых в большинстве случаев информация уже имеется в наличии при отсутствии к ней нет доступа по следующим причинам: имеются данные в аналоговой, а не в цифровой форме; имеющиеся данные невозможно найти; доступ к имеющимся данным запрещен; в доступные цифровые данные не имеют требуемого качества. Основной причиной этих проблем является использование муниципалитетом различных геоинформационных систем. Так, в городе среднего размера в Нидерландах с числом жителей порядка 150 тысяч эксплуатировалось около 360 различных локально ориентированных информационных систем. Такая ситуация на наш взгляд является типичной для многих муниципалитетов такого уровня в Европе. Доступность мощных дешевых графических персональных компьютеров позволяет каждому муниципальному отделу разрабатывать собственную стратегию по использованию географической информации. Поэтому для эффективного использования геоинформации в муниципалитете должны быть разработаны программы по информатизации и автоматизации, включающие в себя и предложения по стандартизации. Это необходимо для обеспечения информационного обмена, а также для объединения данных, получаемых с использованием децентрализованных ГИС.
На эффективность информационной системы оказывают влияние, как правило, два аспекта, относящиеся к понятию нормативно-правовой базы. Первый определяет правила оптимального обмена информацией между различными муниципальными отделами на основе стандартизованных данных и непротиворечивости регулирующих инструкций различных служб. Хорошая стандартизация общих данных начинается с законодательства. Второй связан с использованием геоинформации касающейся собственности индивидуальных граждан на столь детализированном уровне (вплоть до оценки отдельных строений или кадастровых характеристик участка земли), что это требует применения законодательства о секретности.
Финансирование автоматизации вообще и геоинформатики в частности является одной из болевых точек, поскольку не являются приоритетными направлениями деятельности муниципалитетов. Причина чаще всего заключается в недостатке адекватных финансовых ресурсов. Очень трудно даются местным властям решения о внедрении геоинформационной системы, поскольку, как правило, отсутствует хороший анализ эффективности и прибыльности ее использования. Опыт показывает, что на получение прибыли от процесса автоматизации требуется много лет. Поэтому чаще всего практикуется подход "снизу-вверх", когда большинство муниципальных отделов имея собственный бюджет приобретают персональный компьютер и прилагают усилия для создания собственной прикладной системы.
Цифровые данные. ГИС европейского города среднего размера (100 тысяч жителей) оперирует приблизительно одним миллионом данных (записей), состоящих из приблизительно 10 тысяч различных элементов данных. Базисная информация (данные, используемые больше, чем одним отделом) как правило стандартизирована, и обмен ею осуществляется на основе согласованных процедур. Не все данные требуют формализации, если представляют специфическую информацию, важную только для одного муниципального отдела. Стандартизация касается масштаба, структуры и качества данных. Особая тема - выбор географических объектов, которые выполняют важную роль в объединении алфавитно-цифровых и графических данных. Этими географическими элементами могут быть участки земли, строения, улицы с адресами, сегменты улиц, районы, землеотводы (доли), окрестности, и т.д. Качество данных - это особый аспект, который необходимо рассмотреть. Чем выше качество, тем более дорогой является информационная система. Качество используемой информации в муниципалитетах не очень высоко, по моей персональной оценке - приблизительно 70 процентов. Это означает, что в 142 процентов случаев имеются ошибки относительно надежности, точности, актуальности, законченности, уместности, и т.д.
На территории района могут, находятся пожара и взрывоопасные объекты железнодорожные станции, где грузятся и через которую следуют транзитом вагоны с АХОВ и другими опасными грузами. На перечисленных объектах возможны крупные аварии и катастрофы, создающие опасные для учебного заведения ЧС.
Кроме аварий и катастроф для города типичны такие стихийные бедствия, как ураганы, задымление при горении болот. Они наносят значительный материальный ущерб, внезапно нарушают нормальную жизнедеятельность, а зачастую приводят и к гибели людей.
Вблизи школы могут находиться радиационно-опасные объекты. Радиоактивное загрязнение также возможно в случае аварии на АЭС. Наибольшую непосредственную опасность для учебного заведения представляют ТЭЦ, которые в случае аварии могут заразить воздух сернистыми угарным газом, а также вызвать взрывы и пожары.
Под школами имеются подвальные помещения, которые можно использовать в качестве защитного сооружения. Станции метро могут быть использованы в чрезвычайных ситуациях, как в мирное, так и в военное время.
В школах организуется изготовление ватно-марлевых повязок. Приказом директора — начальника ГО учебного заведения № создаются формирования гражданской обороны (штаб ГОЧС, эвакуационная группа, спасательная группа, санитарная группа, группа пожаротушения и светомаскировки, группа выдачи средств индивидуальной защиты).
