Содержание к диссертации
Введение
1. Методологические основы и принципы разработки информационно-аналитического обеспечения для решения задач охраны окружающей среды при комплексном природопользовании 11
1.1. Проблемы управления природопользованием и основные направления его совершенствования. 11
1.2. Современные информационные технологии и методы математического моделирования, используемые при описании природно-технических систем 18
1.3. Принципы разработки информационно-аналитических систем для решения задач охраны окружающей среды 30
1.4. Геоинформационные технологии и обеспечение решения природоохранных задач 37
2. Методология создания на базе ГИС информационного обеспечения управления природопользованием 45
2.1. Моделирование в ГИС объектов природно-технических систем . 45
2.2. Методы наполнения базы данных ГИС информацией о территории . 55
2.3. Методические подходы к обеспечению решения информационно-справочных задач комплексного природопользования 62
3. Геоинформационное обеспечение информационно-аналитических систем для решения природоохранных задач 70
3.1. Основные положения применения методов пространственного анализа в ГИС 70
3.2. Преобразование данных об окружающей среде при пространственном анализе в ГИС 74
3.3. Анализ экологического состояния территории на основе комбинирования пространственных объектов в ГИС 85
3.4. Выявление пространственной автокорреляции 88
3.5. Теория и методы интеграции прогнозных моделей в ГИС 91
3.6. Методические аспекты интеграции моделей в ГИС 96
4. Научные основы создания геоинформационного обеспечения для принятия решений в условиях неопределенности при управлении природопользованием 102
4.1. Методологические подходы к учету неопределенности при описании процессов и явлений окружающей среды 102
4.2. Основы использования теории нечетких множеств при принятии решений в условиях неопределенности 106
4.3. Методология применения аппарата теории нечетких множеств в информационно-аналитических системах на базе ГИС 112
5. Применение геоинформационных методов при решении задач охраны окружающей среды 120
5.1. Анализ территории на основе пространственного моделирования 120
5.2. Примеры интеграции в ГИС математических моделей процессов и явлений окружающей природной среды 126
5.3. Анализ и принятие решений в условиях неопределенности при управлении территориями на основе алгоритмов теории нечетких множеств 143
6. Примеры практической реализации на базе ГИС-технологий информационно-аналитических систем по охране окружающей среды при комплексном природопользовании 154
6.1. Информационно-аналитическая система для комплексной стоимостной оценки природных ресурсов на территории кадастровой зоны 154
6.2. Информационно-аналитическая система для управления природопользованием на территории аграрного предприятия 173
6.3. Геоинформационное обеспечение системы учета и контроля объектов мелиорации агропредприятий Ленинградской области 187
Заключение 196
Литература 198
- Современные информационные технологии и методы математического моделирования, используемые при описании природно-технических систем
- Преобразование данных об окружающей среде при пространственном анализе в ГИС
- Примеры интеграции в ГИС математических моделей процессов и явлений окружающей природной среды
- Информационно-аналитическая система для управления природопользованием на территории аграрного предприятия
Введение к работе
Актуальность работы. В условиях возрастающей антропогенной нагрузки все более актуальной становится проблема охраны окружающей среды (ОС). До недавнего времени основные усилия ученых по совершенствованию управления состоянием ОС были направлены на решение задач, связанных с разработкой и внедрением экологически чистых технологий на отдельных предприятиях. Однако, как показывает практический опыт управления состоянием ОС в масштабах региона, локальное внедрение природоохранных технологий не дает желаемых результатов. Т.о. при управлении природопользованием актуальным является переход к комплексному рассмотрению состояния ОС и социально-экономического развития территорий с учетом пространственного распределения антропогенной нагрузки. Такой подход нашел свое отражение в Законе Российской Федерации "О защите окружающей природной среды". В качестве экономического механизма реализации Закона декларируется заключение договоров на комплексное природопользование, которое следует понимать как такое использование природно-ресурсного потенциала территории, при котором эксплуатация конкретного, вида природного ресурса наносит наименьший ущерб другим ресурсам, а хозяйственная или иная деятельность в целом оказывает минимально возможное воздействие на ОС. По нашему мнению основные причины недостаточно эффективного управления природопользованием связаны с отсутствием комплексного подхода и слабость информационно-аналитического обеспечения, а исследования по поиску решения этих проблем имеет важное народно-хозяйственное значение.
Появляющиеся новые задачи потребовали разработки новых адекватных информационно-аналитических систем (ИАС), что в современном мире приобретает особую значимость, т.к. в настоящее время из-за резкого повышения эффективности материального производства основная стоимость производится в сфере управления информационными .потоками. Круг пользователей ИАС значительно расширился, соответственно возросли требования к ИАС и их интерфейсу. Лица, принимающие решения (ЛПР), как основные пользователи ИАС, больше ориентируются на потребление знаний об ОС. Речь идет о необходимости создания для ЛПР виртуального мира, где можно было бы анализировать ситуации и принимать виртуальные решения, которые предполагается реализовывать на управляемой территории. Поэтому в настоящей работе основное внимание уделено актуальной проблеме создания на основе передовых компьютерных технологий ИАС для поддержки принятия управленческих решений по охране ОС при комплексном природопользовании.
Другими факторами, подтверждающими актуальность работы, являются быстро меняющаяся социально-экономическая ситуация в нашей стране и расширение самостоятельности субъектов РФ. Это, в совокупности с обострением экологических проблем, приводит к тому, что появилась потребность в разработке ИАС нового поколения с четкой территориальной привязкой. Так в Ленинградской области, впер-
вые в РФ, принят закон "О комплексном природопользовании", из основных положений которого следует, что новые ИАС предназначены прежде всего для решения следующих задач:
проведение комплексных оценок состояния окружающей природной среды;
функционирование единой территориальной информационной системы по охране окружающей природной среды;
снижение ущерба одним природным ресурсам при использовании других;
прогнозирование динамики экологического состояния территорий;
закрепление экосистемных принципов в природопользовании.
Отсутствие развитой методологической базы решения этих задач доказывает актуальность настоящей работы, т.к. современные тенденции экономического развития порождают значительные нагрузки на ОС, что при отсутствии соответствующих ИАС и интенсивном использовании природно-ресурсного потенциала территории приводит к ухудшению экологической обстановки. Важен социальный эффект разработки таких ИАС, которые призваны решить проблему обеспечения населения общедоступной информацией о состоянии ОС, что декларируется законодательством.
Задачи охраны ОС многообразны и могут решаться на разных уровнях: от микроуровня до глобального (сохранение биосферы в целом). В настоящей работе будут рассматриваться задачи локального, районного и регионального уровней. По нашему мнению именно на этих уровнях реализация принципов комплексного природопользования является наиболее актуальной задачей. При этом анализ показывает, что успешная разработка ИАС по охране ОС при комплексном природопользовании обуславливается двумя основными факторами. Во-первых, необходим учет пространственного распределения процессов и явлений ОС, т.е. их территориальная привязка. Во-вторых, эффективное решение большинства задач возможно только средствами математического моделирования, так как натурные эксперименты на системном уровне практически невозможны, а если возможны, то лишь с отдельными компонентами. Совместное и комплексное решение проблем, связанных с этими двумя факторами, стало возможным только на современном этапе развития компьютерных технологий. Речь идет в первую очередь о геоинформационных системах (ГИС), позволяющих манипулировать пространственно-распределенной информацией. Отсутствие развитого научно-методического обеспечения использования ГИС-технологий при решении задач охраны ОС делает настоящую работу актуальной.
Целью работы является разработка научных основ и методов создания на базе геоинформационных технологий информационно-аналитических систем по охране окружающей среды при комплексном природопользовании.
Идея работы заключается в использовании геоинформационных технологий для обоснования компромиссных решений по социально-экономическому развитию территорий и выбору стратегий природопользования.
В соответствии с целью работы были поставлены и рассмотрены следующие
задачи: _ -
разработка научных основ создания геоинформационного обеспечения решения задач охраны окружающей среды;
развитие принципов создания информационно-аналитических систем в области природопользования;
обобщение подходов к организации, структурированию и представлению информации о территории для решения природоохранных задач;
разработка теории и методов математического моделирования в геоинформационных системах процессов и явлений окружающей среды;
разработка методов анализа и принятия решений в условиях неопределенности для информационно-аналитических систем по управлению природопользованием.
Достоверность научных результатов и основных выводов, сформулированных в диссертации, подтверждается использованием в разработках научно-обоснованных и проверенных методов различных научных дисциплин, непротиворечивостью полученных результатов существующим научным представлениям и гипотезам, опытной проверкой функционирования созданных информационно-аналитических систем по управлению природопользованием.
Научная новизна и личный вклад автора заключаются в научном обобщении теоретических и экспериментальных исследований в области информатики, инженерной экологии, геоэкологии, математического моделирования и др. Автором осуществлено решение важной научной проблемы: разработаны научные основы и созданы методы построения на базе геоинформационных технологий ИАС по охране ОС при комплексном природопользовании. Предложенный автором подход к созданию ИАС позволил ставить и решать новые задачи, решение которых до разработки наших методов представляло значительные трудности, а в некоторых случаях было просто невозможно. Среди конкретных результатов следует выделить следующие:
разработаны научные основы обеспечения функционирования создаваемых на базе ГИС информационно-аналитических систем по охране окружающей среды;
подготовлены методические основы организации, структурирования и представления информации о территории для управления природопользованием на базе геосистемного подхода к дифференциации территории по бассейново-ландшафтному принципу;
разработаны принципы создания на базе ГИС информационно-аналитических систем по охране окружающей среды для различных территориальных образований;
проведено обобщение геоинформационных методов для решения задач охраны окружающей среды;
создана методология интеграции в геоинформационные системы математических моделей и проведена их классификация;
разработаны научные основы принятия решений в условиях неопределенности при управлении природопользованием на основе теории нечетких множеств;
созданы информационно-аналитические системы на базе геоинформационных технологий для поддержки принятия управленческих решений по обоснованию природоохранных решений на локальном и региональном уровнях. Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
научные основы обеспечения функционирования создаваемых на базе ГИС информационно-аналитических систем по охране окружающей среды;
методические основы организации, структурирования и представления информации о территории для управления природопользованием на базе геосистемного подхода к дифференциации территории по бассейново-ландшафтному принципу;
принципы создания на базе ГИС информационно-аналитических систем по охране окружающей среды;
обобщение геоинформационных методов для решения задач охраны окружающей среды
' > методология интеграции математических моделей в геоинформационные системы;
> научные основы принятия решений в условиях неопределенности при управ
лении природопользованием на основе теории нечетких множеств.
Практическое значение и внедрение результатов диссертационной работы
состоит в создании на базе ГИС информационно-аналитических систем, которые внедрены в практику решения задач охраны ОС при комплексном природопользовании и развития территорий на различных уровнях. Результаты внедрены в учебный процесс при подготовке специалистов на Инженерно-строительном факультете СПбГТУ и переданы на эксплуатацию в конфетные организации. Использование разработок автора в практике управления природопользованием позволяет повысить обоснованность принимаемых решений по управлению устойчивым развитием территории и состоянием ОС. Основные результаты работы на разных этапах были внедрены в Управлении по мелиорации и сельскохозяйственному водоснабжению Санкт-Петербурга и Ленинградской области при работах по созданию и эксплуатации "Информационно-справочной системы учета и контроля мелиоративных земель агропредприятий Ленинградской области"; Комитетом экономики и финансов администрации Санкт-Петербурга при работах по созданию и эксплуатации "Информационно-графической системы по расчету экономических характеристик сельскохозяйственных территорий на территории административно подчиненных г.Санкт-Петербургу"; Департаментом природопользования и экологической безопасности
Комитета по экономике и инвестициям правительства Ленинградской области при работах по созданию и эксплуатации "Системы стоимостной оценки отдельных видов природных ресурсов с учетом экологических факторов для интегральной оценки природно-ресурсного потенциала территории".
Апробация результатов диссертационных исследований на разных этапах проведена на региональных и международных конференциях и семинарах: Ежегодной конференции ТИС. Теория и практика" (Санкт-Петербург, 1994-1998 гг.), международной конференции "Проблемы космического и подспутникового мониторинга территории Казахстана" (Алмааты, 1993), международной конференции "Освоение шельфа арктических морей России" (Санкт-Петербург, 1997), международной научно-практической конференции ТИС и устойчивое развитие региона" (Псков, 1997), Научно-технической конференции "Фундаментальные исследования в технических университетах" (Санкт-Петербург, 1997), Всероссийской конференции "Геоинформатика и образование" (Москва 1998, 1999), конференции "Социальные проблемы инженерной экологии, природопользования и ресурсосбережения" (Красноярск, 1998), научно-практическом семинаре "Информационные системы в управлении природопользованием и экономическим развитием территорий" (Санкт-Петербург, 1998), международной конференции "Modelling, Testing & Monitoring for Hydro Powerplants -III" (Aix-en-Provence, Франция, 1998), международной конференции "Flow and Deformation in Biology and Environment" (Прага, Чехия, 1998), Всероссийском научно-методическом семинаре "Теория и практика экологического мониторинга в образовательных учреждениях" (Санкт-Петербург, 1998), международной конференции "21s1 Urban Data Management Symposium" (Венеция, Италия, 1999), 28 международном конгрессе МАГИ (Грац, Австрия, 1999), международном симпозиуме "Географические системы и их применение в агрофизике и агроэкологии" (Санкт-Петербург, 1999), научных семинарах в СПбГТУ.
Публикации. Результаты исследований по теме диссертации изложены в 31 работе.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 212 страницах, содержит 100 рисунков, 17 таблиц и состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 221 наименования.
Современные информационные технологии и методы математического моделирования, используемые при описании природно-технических систем
Формулировка целей создания разрабатываемых нами территориальных ИАС как защита ОС, требует рассмотрения в первую очередь вопросов, которые связаны с оценкой влияния антропогенной деятельность на процессы и явления в природной среде. Системный междисциплинарный подход к разрешению проблем гармоничного социально-эколого-экономического развития территории требует рассмотрения последней как системы ST, состоящей из трех подсистем: Sc (социальной), Sn (природной), 5э (экономической), а также множеств взаимодействий между этими подсистемами - FT И внутри каждой подсистемы - FQ, Fn, F$.
При разработке ИАС для обеспечения управления ST целесообразно выделить "главную" ("ведущую") подсистему, обеспечение нормального функционирования которой является определяющим фактором для остальных. В качестве такой подсистемы;по нашему мнению,следует выбрать Sn- природную подсистему. При рассмотрении Sn следует ориентироваться на методологические подходы, которые разработаны в географии. Среди наук о Земле именно география занимается комплексным изучением географической оболочки [22], при этом объектами исследования географии являются геосистемы различного иерархического уровня [23, 24]. Будем пользоваться понятием геосистемы как части географической оболочки, в пределах которой элементы последней находятся в тесных отношениях и взаимосвязях между собой и образуют определенную целостность, единство [25]. Население и хозяйство являются важнейшими компонентами геосистем, ибо на современном этапе развития общества, почти вся географическая оболочка вовлечена в хозяйственную деятельность, а не вовлеченные территории оказываются под влиянием антропогенной нагрузки [6, 17, 21, 26, 27]. Поэтому подавляющее большинство геосистем по своему генезису и характеру являются природно-антропогенными системами [22, 23], которые в нашем случае будем рассматривать как природно-технические системы (ПТС), подчеркивая тем самым, что антропогенное воздействие на природную среду обуславливается наличием технических объектов. Геосистемам присущи такие свойства как взаимозаменяемость, взаимообусловленность (не простой набор) составляющих их компонентов, определенная функциональная и территориальная целостность, динамичность, устойчивость [23, 25]. Развитие геосистемного подхода, обычно связывают с работами В.Б.Сочавы [25], хотя такие общесистемные категории как "состояние", "интегральная оценка", "системообразующие факторы" присутствовали в большинстве естественнонаучных теорий [19, 23].
Геосистемный подход к решению задач охраны ОС при комплексном природопользовании реализуется на основе интегрального анализа компонентов географической оболочки на всех уровнях ее иерархической организации, а также изучения пространственных соотношений развивающихся территориальных объектов. Геосистемный подход предполагает три ступени рассмотрения - собственно геосистему, структуру взаимосвязи составляющих ее подсистем (геосистем более низкого иерархического уровня) и ее место в геосистеме более высокого уровня иерархии [19, 22-26]. Анализ работ, посвященных проблематике применения геосистемного подхода к оценке и описанию функционирования различных видов территориальных образований [27-38], позволяет сформулировать его основные понятия и положения в форме, которая, по нашему мнению, позволяет конструктивно подойти к использованию этого подхода при создании ИАС для управления природопользованием.
В качестве фундаментальных сущностей в пределах географической оболочки следует рассматривать природные тела {Г} и процессы {Р}. Множество Т включают в себя материнские породы, почвы, водные массы в разных состояниях, воздух, популяции растений и животных, продукты их отмирания и т.д. Элементы {Т} имеют характеристики: m - статические (положение, массу, температуру и т.д.) и — -динамические, т.е. Т=Т(т,—). Благодаря непрерывным процессам переноса (потокам) вещества и энергии - {Р} между элементами {Г} возникают связи - (FJ (прямые и обратные). В результате чего образуются геосистемы S: S = {T, Р, FJ (1.2)
В {Т} можно выделить подмножество {Ts} - системообразующих элементов, которые определяющим образом влияют на формирование S , а также {Р} и (FJ. Именно {Ts} важно для обеспечения целостности и функционирования геосистем любого иерархического уровня. Целесообразно ввести понятие ядра геосистемы - So, которое пространственно ограничено той частью геосистемы, где ее свойства выражены наиболее ярко. При выделении пространственных границ S всегда будет присутствовать некоторая неопределенность - существует ядро - So и переходные области - Si, где свойства S=S0uSl не так четко выражены из-за взаимодействия и взаимовлияния со стороны соседних геосистем.
Множество Р целесообразно также разбивать на подмножество Pi (процессы в элементах {Т}), а также Ps - собственных (системных) процессов, характеризующих изменения состава Г и F. Среди Ps можно выделить Psv (ведущие), в ходе которых изменяются Ts- Элементы {Р} обладают набором параметров, среди которых важнейшими являются: скорость (интенсивность) процесса, его характерное время (время полного изменения тела, либо время одного полного его цикла при циклическом характере изменений), а также обратимость-необратимость.
Состояния геосистем определяются на основе синтеза процессов изменения {Т} в конкретном пространстве-времени, согласно (1.2) это набор S ={Т , Р\ F }. При этом следует рассматривать 5 как пространственно-временную однородность, выделяемую по критериям сохранения {Ts}, {Psv} и {F}. Важнейшей характеристикой S выступает длительность, в качестве единицы измерения которой, удобно использовать год - период обращения Земли вокруг Солнца. Для прогнозирования развития геосистемы следует определить {S } различной длительности и возможные переходы между состояниями: S i— Sf2- Переходы, которые имеют определенную длительность, также могут рассматриваться в качестве состояний в более крупном масштабе времени. Поэтому, при выделении геосистем определенную роль играют особенности человеческого восприятия, а также задачи конкретного исследования.
Каждое из антропогенных воздействий, совокупность которых составляет процесс природопользования, следует рассматривать как отправную точку последующих динамических траекторий Тг$ развития геосистемы: S j—tS - ... N. Любая Trs представляет собой последовательность длительновременных состояний Trs = {S b S 2, ... , S N}- Число возможных Trs в результате какого-либо воздействия определяется силой и длительностью последнего, а также {F}, согласно (1.2), - вариантов тем меньше, чем более жестки связи и более ограничен набор организмов в {Г}, в первую очередь растений.
По нашему мнению, специфика геосистемного подхода к комплексному природопользованию заключается в том особом внимании, которое уделяет география пространственной неоднородности, пространственной организованности объекта изучения. При этом иерархия и структура геосистем S = [Г, Р, F} может быть рассмотрена на базе ландшафтной дифференциации географической оболочки, основанной на выделении однородных участков территории с генетико-морфологической точки зрения [22, 28]. Здесь принято различать три основных иерархических уровня [2, 22, 28]: нижний (локальный) уровень - фации, средний уровень - урочища, местности, высший уровень (региональный) - ландшафты, ландшафтные провинции, области (рис 1.4). Таким образом, геосистемный подход позволяет конструктивно определить структуру подсистемы Sn из (1.1). Например, в случае, изображенном на рис. 1.4, имеет место следующая ситуация, позволяющая отобразить иерархическую структуру геосистем, составляющих ландшафт:
Однако, как показывает практика природопользования [16], рассмотренный подход к дифференциации территории, т.е. определению структуры подсистемы Ля, не всегда позволяет вырабатывать конструктивные решения при управлении комплексным природопользованием, что послужило толчком для дальнейших исследований. Современное развитие геосистемного подхода к природопользованию связано с усилением внимания к антропогенным воздействиям на геосистемы S = (Т, Р, FJ и их многолетним последствиям [25, 29, 30], а также разработкой идей о характерном времени природных процессов и самоорганизации S [31-33]. Анализ функционирования S как совокупности потоков обмена вещества, энергии и информации [34, 35], позволил сформулировать принцип территориальной полиструктурности, согласно которому элементарные геосистемы (фации) интегрируются в различные территориальные структуры в зависимости от типа системообразующих связей [36, 37].
Преобразование данных об окружающей среде при пространственном анализе в ГИС
К наиболее важным методам пространственного анализа, необходимым для обеспечения эффективного функционирования И АС, создаваемых на базе ГИС, как средства информационной поддержки принятия управленческих решений по охране ОС при комплексном природопользовании, относятся алгоритмы и модели трансформации данных [87, 116]. Кроме того, трансформация данных в ИАС на базе ГИС является необходимым элементом, т.к. для применения большинства алгоритмов и методов в ИАС требуется представление данных в совершенно определенном виде, например, в виде точечных объектов, расположенных в узлах регулярной сетки и т.д. Рассматриваемые здесь алгоритмы трансформации являются достаточно универсальными и при работе ЛПР в ГИС играют роль вспомогательных процедур, реализация которых не зависит от изучаемого процесса или явления. Простейшими трансформациями являются геометрические преобразования из одной системы координат в другие.
Другой класс трансформаций относится к преобразованиям данных внутри и между основными типами пространственных объектов: точек, линий и областей (табл.3.2). Эти преобразования включают как геометрические построения с созданием новых объектов, так и вычисление атрибутов вновь построенных объектов и являются чрезвычайно важными при формировании БД ГИС.
Большинство данных о территории, необходимых для управления природопользованием, собирается или измеряется в определенных точках, которые в дальнейшем, следуя [116], будут называться точками взятия образцов (sample point). В основном эти измерения проводятся в некоторых характерных точках, например, местах расположения буровых исследовательских скважин, вдоль курса самолета, производящего аэрофотосъемку, или наземных траверсов геодезической съемки и проч. Точки взятия образцов могут располагаться как произвольно так и регулярно. Например, данные дистанционного зондирования, которые представляют собой растровые изображения, также можно рассматривать как источник информации в регулярно расположенном наборе точек.
Точки Интерполяция Пространственная интерполяция из одного набора точек к другому (к равномерной сетке перед построением изолиний) Построение изолиний Соединение линиями точек с равными значениями Полигоны Тиссена Построение полигонов Тиссена или Вороного из нерегулярно распределенных точек.
Области Атрибут области привязывается к ее центроиду Область преобразуется в свою границу или некоторую среднюю линию Преобразование атрибутивных значений из одного набора полигонов к другому.
При проведении трансформаций данных в ГИС, чаще других требуется проводить пространственные преобразования "точка-область" и "точка-точка". Подобная же ситуация возникает и в том случае, когда стоит задача сравнения каких-либо пространственно распределенных переменных, информация о которых собрана в различных наборах точек, что требует преобразования к общим данным. Задача преобразования "точка-область" состоит в том, чтобы преобразовать атрибуты в точках взятия образцов к атрибутам вновь построенных или существующих площадных объектов. В результате в БД ГИС создается специальный те-матический слой векторного или растрового типа, который будет представлять либо непрерывную, либо кусочно-непрерывную поверхность. Способ преобразования "точка-область" зависит от шкалы измерения рассматриваемых атрибутов и от того, являются ли точки естественными или искусственными объектами для отбора образцов.
Выбор метода преобразования "точка-область" и "точка-точка" определяется многими факторами и в частности тем, какова структура расположения исходных данных - точек взятия образцов. При этом следует выделить три возможности: точки расположены регулярно на прямоугольных или гексагональных сетках; точки расположены нерегулярно в произвольных точках; точки расположены полурегулярно или равномерно на изолиниях, профилях и др. Для точечных исходных данных методы преобразования к площадным объектам нами подразделяются на две группы в зависимости от того, применяется или нет пространственная интерполяция. Кроме того, при моделировании поверхностей пространственно-непрерывных полей переменных часто используют интерполяцию из набора нерегулярно расположенных точек отбора образцов к регулярной сетке, которую можно рассматривать как растр и каждая интерполируемая точка определяет ячейку, внутри которой характеристика постоянна.
Рассмотрим сначала методы, не использующие интерполяцию, целью применения которых является построение полигонов, с которыми связывается один или несколько атрибутов исходной точки (точки взятия образцов). Если полигон строится по нескольким исходным точкам, то используется подходящая операция осреднения для определения атрибута нового полигона, которая зависит от шкалы, по которой заданы значения атрибутов исходных точек. В большинстве случаев используются алгоритмы автоматического построения полигонов по исходным точкам, хотя в некоторых случаях используются методы, в которых полигоны строятся вручную на основе субъективных выводов и мнений специалистов. Некоторые примеры применения таких методов представлены на рис. 3.2.
На рис. 3.2 А представлено расположение исходного набора Ns точек взятия образцов. Они представляют собой точечные объекты ТІ (i=l,Ns)c координатами (ХІ, у І) и набором из атрибутов Zi(zi Z2 ZiJ.B общем случае задача состоит в построении площадных объектов Pjck атрибутами и вычисления их значений
В простейшем случае (рис. 3.2 Б) площадные объекты Pj, для которых необходимо определить атрибуты по исходным точкам, представляют собой регулярно расположенные ячейки некоторой сетки: Л квадратных площадных объектов и каждая исходная точка связывается с такой ячейкой. Если в ячейку Pj не попадает ни одна точка (Г,- g Pj Vi), то ячейке Pj назначается либо пустой атрибут, либо атрибут, вычисляемый как некоторая функция от атрибутов соседних ячеек.
Атрибуты ячеек, которые содержат более чем одну точку (Ті є Pj , iefl}), определяются путем агрегирования атрибутов этих точек согласно некоторому правилу F, такому как вычисление среднего, медианы, моды, максимального или минимального значения, в зависимости от шкалы измерения атрибута или смысла задачи: Zj = F(Z$,ie{I} (3.2)
Главное преимущество этого метода в его наглядности и простоте реализации.
Другой простой метод состоит в построении полигонов Pj в виде правильного вписанного многоугольника или круга радиуса R вокруг исходных точек взятия образцов ТІ (рис. 3.2. В). Этим полигонам назначаются атрибуты исходных точек (Ne=Ns & Zi=Zj, Vi=j). Непокрытые области получают пустые атрибуты. Этот вариант метода хорошо работает, когда 7} распределены более или менее равномерно, без особых сгущений (отсутствует кластеризация), иначе для перекрывающихся Pj необходимо применять не всегда простые операции для определения формы новых полигонов и агрегирования атрибутов. Преимущество этого подхода состоит в том, что при построении Pj радиус круга R может быть выбран для отражения субъективного мнения о размере зоны влияния точек взятия образцов.
Применение метода, основанного на использовании полигонов Тиссена (называемых также полигонами Вороного), позволяет исключить проблему полигонов либо не имеющих точек, либо содержащих несколько точек (рис. 3.2. Г). Полигоны Pj всегда содержат только одну исходную точку Т-г: 3\j,i TiEPj , (Ne=Ns) (3.3) и любая другая точка внутри полигона ближе к ней, чем к остальным исходным точкам. Такие Pj образуются посредством проведения серединных перпендикуляров к отрезкам, соединяющих ближайшие ТІ. Преимуществом этого метода является то, что отсутствуют непокрытые области и могут быть определены "естественные" соседи для каждой 7 . Недостатком этого метода является то, что размер Pj обратно пропорционален плотности ТІ И отдельная точка ТІ может иметь очень большое влияние (соответствующий полигон Pj имеет большую площадь), несоразмерное смыслу задачи. Один из возможных выходов из этой ситуации может состоять в комбинировании полигонов Тиссена с предыдущим методом. Результат такого комбинирования представлен на рис. 3.2. Д. Последний метод часто применяется в том случае, когда Г,- расположены, например, вдоль некоторых траверзов обследования (например, русла рек), а расстояние между траверзами велико.
Примеры интеграции в ГИС математических моделей процессов и явлений окружающей природной среды
Как уже отмечалось нами в главе 1, геосистемы S = [Г, Ру F} образуются благодаря непрерывным потокам вещества и энергии - {Р}. В этом параграфе нами рассмотрены примеры, связанные с разработкой геоинформационного обеспечения для решения задач по переносу вещества и энергии на управляемой территории в воздушной и водной среде, а также в почве. Представлены примеры интеграции в ГИС моделей, которые описывают диффузию тяжелых аэрозолей в воздухе, перенос тепла в почве и движение жидкости. Таким образом, в данном параграфе приведены примеры реализации блока "Моделирование процессов и явлений", согласно классификации геоинформационного обеспечения ИАС (рис. 1.11).
Перенос и диффузия тяжелых аэрозолей.
Разработанная нами методология интеграции моделей в ГИС была успешно применена для решения многих задач охраны ОС. Так, в качестве примера для демонстрации реализации методологии создания ГИС моделей, рассмотрим анализ процессов переноса и диффузии тяжелых аэрозолей в ГИС. Соответствующие модели представляют особый интерес при изучении задач локального загрязнения ОС и были подробно рассмотрены в работе [193]. Интеграция таких моделей в ГИС позволяет повысить эффективность управления ПТС.
При решении задачи использовалась следующая формулировка, Распространяясь в атмосфере, тяжелые аэрозоли диффундируют и под действием силы тяжести опускаются на землю. В данной задаче скорость такого опускания Ws предварительно вычисляется из задачи Стокса и является величиной постоянной, направленной вниз по направлению силы тяжести. На рис.5.5А представлены результаты расчета для выброса мощностью Q=5T, //=2000 м2/с, v= -10 м/с, «= -5 м/с. Изолинии проведены через 0,05 г/м3 и каждая группа изолиний соответствует пространственному распределению концентрации аэрозоля над данным участком территории в моменты времени 200, 400, 600, 800, 1000 и 1200 секунд после выброса. На рис. 5.5 В представлен график распределения концентрации аэрозоля в те же моменты времени вдоль штрих-пунктирной линии, показывающей направление ветра (рис.5.5 А). Изолинии и график построены с использованием изложенных в п.3.2 методов пространственного анализа. При построении геополя применялись стандартные функции пространственного анализа для построения изолиний для ЦМР, при этом значения концентрации аэрозоля использовались как координата Z На рис.5.5 Б представлены результаты при разовом выбросе из другого источника той же мощности, //=500 м2/с, v= -10 м/с, и=2 м/с, изолинии проведены через 0,5 г/м3. На рис.5.5 Г представлен график распределения концентрации аэрозоля в те же моменты времени (200, 400, 600, 800, 1000 и 1200 секунд после выброса) вдоль штрих-пунктирной линии.
Данная модель представляет собой пример ГИС модели. Интеграция такой модели в среду ГИС позволяет повысить эффективность управления территорией ПТС и оперативного принятия решений при аварийных ситуациях. Геоинформационное обеспечение дает возможность сразу выделить области влияния загрязнения и разработать соответствующие мероприятия. Рассмотренная задача является составной частью созданной нами ИАС по управлению аграрным предприятием.
Моделирование в среде ГИС теплопереноса в почве.
Для демонстрации практической реализации предложенной методики интеграции моделей по второму способу - связь через входные и выходные параметры - развиваемый подход был применен нами при создании ГИС для анализа параметров почзенного микроклимата на территории [162]. На рис.5.6 - 5.15 представлены результаты этого исследования.
Теоретическое описание параметров почвенного микроклимата территории осуществлялось с помощью модели, основные допущения которой могут быть сформулированы следующим образом.
1. Обмен энергией и веществом в атмосферном и растительном слоях рассматривается как квазистационарный процесс.
2. Тепло- и влагообмен в почвенном слое описываются как динамический процесс.
3. Предполагается, что моделируемый участок ландшафта имеет ровную наклонную поверхность и достаточно удален от вершины и основания склона.
4. Угол наклона поверхности почвы не должен быть больше, чем 20.
Следует отметить, что уравнения (5.4) и (5.7) основаны на гипотезе, выдвинутой около десяти лет тому назад [77]. С тех пор не появилось ни экспериментальных, ни теоретических данных, которые подтвердили или опровергли бы эту гипотезу.
В качестве объекта для применения предлагаемой методики интеграции моделей в ГИС нами был выбран участок территории САОЗТ "Ленсоветовский" (территория, административно подчиненная Санкт-Петербургу) [162, 196]. На рис.5.6 показаны границы исследуемого участка. Через участок проходит грунтовая дорога, имеются долины нескольких ручьев, сечение рельефа - 0.5 метра.
Модель, интегрируемая в ГИС, является точечной. Поэтому, согласно методике, изложенной в главе 3, для ее применения необходимо было разделить территорию на однородные области в соответствии с параметрами используемой модели. Области должны были иметь однородные физические свойства почвы, виды почвенных обработок, типы растительного покрова, системы культивирования растений, ориентацию и наклон поверхности.
Представление всего исследуемого участка как совокупности изолированных друг от друга областей, отличающихся наклоном поверхности и ее ориентацией, показано на рис. 5.7 и рис. 5.8. Разделение участка на однородные области по плотности почвы и типу растительного покрова даны на рис. 5.9 и рис. 5.10. В результате применения к этим тематическим слоям определенной нами в главе 3 операции оверлея с выделением уникальных полигонов получается, что исследуемая территория разбивается на 26 однородных участков (рис. 5.11).
Модель имела форму компьютерной программы, доступной для модификации. После соответствующей настройки входного и выходного интерфейса модель была интегрирована в среду ГИС по 2 варианту (связь через входные и выходные параметры). Собственно моделирование производилось для интервала времени с 15 марта по 15 мая. Результаты моделирования термических параметров почвенного микроклимата с учетом пространственной структуры ландшафта (для каждого однородного участка вычисления производились отдельно) даны на рис. 5.12 -рис. 5.15. В частности, на рис. 5.12 и рис. 5.13 показана среднесуточная температура почвы на глубине 10 см в периоды с 15 марта по 15 апреля и с 15 апреля по 15 мая. Рис. 5.14 и рис. 5.15 иллюстрируют результаты компьютерного моделирования суммы температур почвы на глубине 10 см в периоды с 15 марта по 15 апреля и с 15 марта по 15 мая.
Математическое моделирование на базе ГИС гидродинамических процессов на объекте в г.Приморск.
Основной задачей данных исследований являлась интеграция в ГИС ком-. пьютерных моделей по расчету поля скоростей течений с целью проведения вариантных расчетов течений и формирования начальной БД ГИС для поддержки проектирования в акватории нефтеналивного терминала в г.Приморске. Реализованный в данной разработке подход, опирающийся на ГИС технологии, позволяет проводить моделирование не в схематических областях и участках водного пространства, сформированных на основе картографического материала, а непосредственно на базе электронных карт с точной координатной привязкой проектируемых сооружений и отдельных рассматриваемых участков акватории. Получаемые результаты также "вписываются" в проектные чертежи, что позволяет проектировщикам проводить непосредственный пространственный анализ принимаемых вариантных решений. Следует отметить, что выполненные расчетные исследования носят в большой степени оценочный характер, поскольку в настоящее время отсутствуют необходимые натурные данные для верификации пространственных динамических моделей.
Численное моделирование при решении поставленной задачи осуществлялось с использованием программного комплекса AquaSea. AquaSea - пакет программ, реализующий двумерную гидродинамическую модель течений (уравнения "мелкой воды") и модель переноса веществ, которые решаются с использованием метода конечных элементов (КЭ). Данная модель позволяет рассчитать изменения уровня воды и скорости течения воды при различных начальных и граничных условиях в устьях рек, заливах и прибрежных областях морей. Уровни воды и течения аппроксимируются сеткой КЭ и рассчитываются с учетом морфометриче-ских характеристик дна, коэффициентов сопротивления, скоростей и направлений ветра.
Информационно-аналитическая система для управления природопользованием на территории аграрного предприятия
Для разработки научных основ создания НАС поддержки принятия управленческих решений по-комплексному природопользованию на территории афар-ного предприятия, которую мы рассматриваем как пример ПТС аграрного направления, было выбрано типичное CAQ3T-—"Ленсоветовский". Оно находится к югу от Санкт-Петербурга на территории, административно подчиненной городу. Юс-новные-результаты наших исследований представлены в работах -Шг Ш4 195, 214]. Данная ИАС является, согласно классификации из главы 1, примером ИАС локального типа
На основе анализа задач, решаемых при управлении природно-аграрными системами и их приоритетности, были сформулированы следующие функциональные требования к ИАС, создаваемой на базе ГИС:
1) получение тематических карт, отображающих текущее состояние земельных угодий;
2) формирование оценок агрохимического состояния почвенного покрова;
3) расчет платы за вынос соединений азота с сельскохозяйственных угодий в водные объекты;
4) интеграция в ГИС моделей по переносу вещества и энергии на территории ПТС для обеспечения ЛПР информацией для принятия решений.
При формировании БД ГИС в качестве картографической основы была использована карта масштаба 1:10000, сканированные оригиналы которой, в виде растрового изображения, были приобретены в Администрации Санкт-Петербурга. В виду того, что создаваемая ГИС ориентирована на работу с векторным форматом представления информации, растровое изображение карты было оцифровано в среде графического ядра ГИС фирмы INTERGRAPH - MicroStation. При этом были выделены следующие графические слои: гидрография (площадные и линейные объекты), границы аграрного предприятия (линейные объекты), жилая застройка (площадные объекты), границы агрохимических контуров (площадные объекты), дорожная сеть, в том числе железные дороги (линейные объекты). Затем эти графические слои были экспортированы в Maplnfo. Вся графическая часть созданной ГИС является геометрически точной, что дает возможность, например, не задавать площади контуров по данным из бумажных документов, а использовать при принятии управленческих решений площади, вычисленные в соответствии с изображением.
Агрохимические контура не изображены на базовой картографической основе (топографической карте). Источником графической информации для создания слоя агрохимических контуров служил "Агрохимический контурный план". Он был на такой бумажной основе, которая сканированию не подлежала. Поэтому графическое изображение агрохимических контуров приходилось создавать "по ситуации" - на основе привязки к общим ориентирам - гидрографической сети, дорогам и проч. Создание этого слоя потребовало высочайшей квалификации от оператора. Данные агрохимические контура рассматривались нами как элементарные геосистемы, которые использовались при моделировании и анализе процессов и явлений на территории данной ПТС.
В качестве источников атрибутивной информации для БД ГИС использовались результаты внутрихозяйственного обследования, которые применяются в традиционной схеме управления и представленные в следующих документах аграрного предприятия: «Внутрихозяйственная оценка сельскохозяйственных угодий», «Проект внутрихозяйственного землеустройства», «Агрохимическое обследование почв» и других. Средствами ПО ГИС Maplnfo атрибутивная информация из этих документов была привязана к агрохимическим контурам. При этом использовалась стандартная методология создания БД, которая предполагает создание целого ряда кодификаторов.
Способ ареалов применяется для показа явлений, не имеющих количественных характеристик и распространенных на значительной площади. Этот способ был использован нами для представления сельскохозяйственных полей с определенным типом севооборота (рис.6.20).
При формирование оценок агрохимического состояния почвенного покрова использовались нечеткие модели, а также алгоритмы пространственного анализа. Результаты такого анализа представлены ранее в пп. 53.! и 5.4,- соответственно.
В состав создаваемой на базе ГИС ИАС по управлению аграрным предприятием были включены несколько моделей. Одна из них предназначена для расчета платы за вынос соединений азота в водные объекты с сельскохозяйственных полей. Рассматриваемая модель, позволяющая рассчитывать плату за загрязнениє водных объектов соединениями азота, была реализована на языке MapBasic и является, согласно предлагаемой классификации в п.3.5, типичными примером ГИС моделей.
Значения показателей К\л а принимаются по обобщенным данным, приведенным в работе [16], что вполне удовлетворяет требованиям по точности для такого рода расчетов. Урожайность культур принимается по отчетным данным хозяйства как средняя за три года, предшествующие исследуемому периоду.
Вышеизложенная методика ориентирована на определение общего азота, в то время как платежи за вынос загрязняющих веществ учитывают не общий азот, а его минеральные формы. Поэтому нами было выполнено разделение общего азота по его составляющим на основе анализа данных, собранных при обследовании хозяйств Ленинградской области
На территории данной ПТС, для поддержания водного баланса в почве сельскохозяйственных полей, на некоторых из них организованы системы для полива. Для управления этим процессом в ИАС была включена соответствующая модель. Реальный процесс движения влаги в почве описывается трехмерными уравнениями. Однако, в данном случае было принято решение использовать более простую "точечную" модель. Обоснования для таких упрощений были представлены ранее в п.3.6. Самое главное из них связано с тем, что в связи с длительным (более 40 лет) применением агротехнических технологий на территории полей, почвы на их территории стали однородными. Но даже для такой достаточно простой модели процесс идентификации был труден, а компьютерный вариант модели был закрыт для редактирования. Поэтому эта модель была интегрирована в ГИС только по третьему варианту - для нее было возможно организовать только слабую ассоциацию с ГИС.
Для численного решения дифференциальных уравнений была использована конечно-разностная явная схема. Модель была реализована в виде загрузочного модуля для персонального компьютера. Существующая модель позволяет предсказать основные параметры режима почвенной влаги: объемное содержание воды в почве, уровень грунтовых вод, норму орошения, эвапотранспирацию, поток влаги за пределы корнеобитаемого слоя, потоки между слоями.
Модель была проверена путем сравнения с несколькими экспериментами, выполненными на орошаемых полях при метеорологических условиях Северо-Западного региона России. Предсказанные и измеренные значения объемного содержания воды в почве в корнеобитаемом слое отличаются: меньше, чем на 5 % в 50 % случаев; меньше, чем на 10 % в 40 % случаев; и меньше, чем на 15 % в 10 % случаев. Предсказанные и измеренные количества полного испарения отличаются незначительно.
Модель в виде загрузочного модуля была "закрыта" для редактирования. Поэтому для интеграции в ГИС возможно было использование только третьего варианта - слабой ассоциации с ГИС. Поэтому часть операций необходимо выполнять "вручную". Расчетная область, на которой применялась модель, представляла собой набор из однородных областей - агрохимических контуров. Области отличались по их почвенным гидрологическим свойствам, почвенными обработками, типами растительности и системой культивирования растений. Для каждой такой однородной области расчеты проводились отдельно. На рис. 6.22 представлена тематическая карта, на которой изображены агрохимические контура с номерами полей и сельскохозяйственные культуры, произрастающие на них.
