Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Эколого-геохимический мониторинг урбанизированной территории 11
1.1. Экологический мониторинг 11
1.1.1. Основные понятия экологического мониторинга 12
1.1.2 .Классификация мониторинга 13
1.1.3. Подходы и концепции в исследовании урбанизированной территории 16
1.1.4. Эколого-геохимический мониторинг, проводимый на территории г.Ростова-на-Дону 18
1.2. Анализ существующих моделей оценки экологической ситуации в городе 19
1.2.1. Типы моделей 19
1.2.2. Основное уравнение атмосферной диффузии 20
1.2.3. Гауссовская модель атмосферной диффузии 24
1.2.4. Модели загрязнения водной среды органиченскими отходами 27
1.2.5. Обощенные модели миграции загрязняющих веществ в наземных экосистемах 29
1.2.6. Направления и методы прогнозных исследований в экологии 33
1.3. Обзор существующих геоинформационных систем оценки состояния городской среды 39
1.3.1. Концептуальные основы ГИС «Чистый город» 43
1.3.2. Моделирование распространения примесей от выбросов промышленных предприятий и автотранспорта в атмосфере г. Липецка 44
1.3.3. Моделирование шумового загрязнения города (на основе г.Азова) 46
1.3.4. ГИС Большого Рейкьявика 48
Выводы к главе 1 49
Глава 2. Моделирование экологического состояния урбанизированной территории 51
2.1. Миграционная модель распространения загрязняющих веществ на территории города 51
2.2. Балансовая геохимическая модель миграции загрязняющих веществ на урбанизированной территории 54
2.2.1. Принципы составления ландшафтно-геохимической основы для компьютерной карты города 55
2.2.2. Схема выделения элементарных ландшафтов 58
2.2.3 Основные формулы, применяемые при работе с балансовой геохимической моделью миграции загрязняющих веществ 68
2.3. Модель оценки качества окружающей среды 72
Выводы к главе 2 75
Глава 3 Программный комплекс «состояние окружающей среды урбанизированной территории» 77
3.1 Цели и задачи создания программного комплекса «Состояние окружающей среды урбанизированной территории» 77
3.2 Структура программного комплекса 78
3.3 Структура и назначение базы данных 81
3.4 Информационно-аналитическая система 84
Выводы к главе 3 94
Глава 4 Геоинформационная среда «состояние окружающей среды г. Ростова-на-Дону» 95
4.1 Технология создания геоинформационных систем 95
4.2 Обзор существующих программных продуктов для создания геоинформационных систем 96
4.2.1 Программный комплекс Maplnfo 96
4.2.2 Программный комплекс ArcGIS 98
4.2.3 Программный комплекс GeoMedia Professional 99
4.3.1 Методы пространственного анализа в ArcGIS (модуль Spatial Analyst) 101
4.3.2 Методы пространственного анализа процессов загрязнения 105
4.4 ГИС комплексной оценки состояния урбанизированной территории 115
4.4.1 Структура системы 115
4.4.2 Пользовательский интерфейс 118
Выводы к главе 4 123
Заключение 125
Литература 128
- Подходы и концепции в исследовании урбанизированной территории
- Балансовая геохимическая модель миграции загрязняющих веществ на урбанизированной территории
- Структура программного комплекса
- Обзор существующих программных продуктов для создания геоинформационных систем
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие урбанизированных территорий требует все более интенсивного потребления природных ресурсы с использованием возрастающих по своей мощи технических средств. Завоевывая природу, человек в значительной мере подорвал естественные основы собственной жизнедеятельности, нарушил взаимодействие между жизненно важными средами обитания, такими как атмосфера, литосфера, гидросфера, пищевые цепи. В исследовании степени загрязнения этих сфер важное место занимает экологическая оценка состояния окружающей среды. Важность ее использования трудно переоценить при проведении мониторинга городской территории, проектировании рекреационных зон, детских дошкольных учреждений, спортивных комплексов и т.д. Применение современных компьютерных средств и технологий во многом облегчает эту задачу. Многочисленные данные, накопленные в результате проводимых исследований в течение целого ряда лет в памяти компьютера, становятся более доступными для исследователей. Их использование при работе с геоинформацнонными системами (ГИС) дает возможность проведения быстрого анализа существующего положения на урбанизированной территории, построения различных экологических карт, а также моделирования возможных сценариев развития экологической обстановки на территории города, например, на основе перспективного плана развития.
Целью данной диссертационной работы является создание эффективного инструмента информационного обеспечения и поддержки управленческих решений по регулированию экологической обстановки в городе.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи исследования:
Провести анализ существующих методов оценивания экологической ситуации на урбанизированной территории.
Разработать и реализовать балансовую геохимическую модель миграции загрязняющих веществ на урбанизированной территории.
Разработать и реализовать программный комплекс, обеспечивающий процесс хранения, обработки имеющейся информации об эколого-геохимическом мониторинге города, а также предоставляющий возможность проведения анализа экологической ситуации выбранной территории.
На фактическом материале мониторинга г. Ростова-на-Дону опробовать модель оценки экологической ситуации на городской территории.
Используя методы геоинформационных технологий:
- разработать инструментарий автоматического построения различных карт, для оперативного оценивания эколого-
геохимического состояния рассматриваемой
урбанизированной территории; — провести геоинформационное моделирование процессов загрязнения городской среды и комплексный анализ экологического состояния г. Ростова-на-Дону.
Материалы и методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования, математической статистики, методы объектно-ориентированного программирования, а также принципы геомоделирования пространственно распределенных объектов. В качестве фактических данных были использованы материалы, полученные в результате исследований, проводимых Комитетом по охране окружающей среды в г. Ростове-на-Дону.
Научная новизна. Анализ данных, полученных в результате проведения эколого-геохимического мониторинга, требует от специалистов, их использующих, как знание математических методов, так и основных положений экогеохнмии. Без этого значительно усложняется задача оперативной оценки состояния окружающей среды. Разработанный в работе инструментарий позволяет:
осуществлять комплексную оценку состояния выбранной городской территории;
использовать данные, полученные в результате расчета по модели, входящей в состав комплекса, для построения различных экологических карт, в том числе карты экологической комфортности проживания;
получить оптимально расположенную сеть точек отбора проб эколого-геохимического мониторинга.
Универсальность разработанного программного комплекса позволяет быстро его адаптировать для исследования экологического состояния любой урбанизированной территории.
Практическая значимость. Результаты данной диссертационной работы могут быть использованы:
в природоохранных организациях, занимающихся контролем и оценкой качества природной среды;
в земельном комитете и центре приватизации для получения экономической оценки земельных территорий и жилого фонда с учетом экологических требований;
для подготовки специалистов в области природоохранной деятельности.
Разработанный программный комплекс представляет интерес для пользователей, которым знакома возможность моделирования, но они не могут использовать модели, не имея специальных навыков.
Достоверность научных положений н выводов обусловлена использованием математических методов, реальных данных, применением
методов оценки достоверности данных, согласованием данных, полученных в результате расчетов, с натурными данными и результатами, полученными другими авторами.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на V международной конференции женщин-математиков «Математика. Экономика» (г. Ростов-на-Дону, 1997), межвузовской научно-технической конференции «Экологи, безопасность и эффективность производства» (г. Ростов-на-Дону, 1998), Всероссийской школе-семинаре «Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования» (г. Ростов-на-Дону, 1998, 2000, 2002, 2005, 2007), Всесоюзной конференции «Экология города» (г. Кировочепецк, 2000), конференции «Здоровье города - здоровье человека» (г. Ростов-на-Дону, 2001).
Результаты диссертационной работы использованы и внедрены в Комитете по охране окружающей среды Ростовской области.
Ключевые слова и словосочетания: математическое моделирование, программный комплекс, компьютерные технологии, геоинформационная система, эколого-геохимнческий мониторинг, оценка качества окружающей среды.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 13 в материалах школ и конференций, 2 статьи в центральной печати и 1 статья в сборнике научных трудов.
Объем ц структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы 152 страницы, в том числе 8 таблиц и 27 рисунков, 15 приложения. Список литературы содержит 89 найменованій.
Подходы и концепции в исследовании урбанизированной территории
В промышленных городах проводится большая работа по инвентаризации источников загрязнения, определению предельно допустимых выбросов, контролю содержания в различных компонентах ландшафта ограниченного числа загрязняющих веществ. Однако имеющаяся информация о содержании химических элементов не позволяет точно зафиксировать источники поступления этих элементов и локализировать зоны их воздействия, дифференцированные по степени экологической опасности.
Существует много концепций и подходов в исследовании и оптимизации среды обитания городского населения, разрабатываемых различными научными коллективами, как в нашей стране, так и за рубежом.
Так С.Бойден [27] разработал интегрированный экологический подход исследования городских поселений. О.Н.Яницкий [87] выделил объективно-, субъективно- и проблемно-ориентированные подходы. Также был предложен подход, который заключается в поиске в существующем опыте экологического изучения городских населенных пунктов таких параметров, которые наиболее значимы для разграничения различных стратегий исследования [26]. Были выявлены два параметра - вид исходной информации и способ удержания целостности объекта. И как результат определены шесть основных подходов исследований: статистико-отраслевой, статистико-комплексный, статистико-функциональный, индикативно-интегральный, субъективно-интегральный и проблемно-комплексный. А.А. Беккер и Т.И. Резниченко [24] в своей работе предлагают для прогноза изменения уровней загрязнения атмосферного воздуха на территории города использовать расчетные значения полей концентраций примесей, в частности по результатам сводных расчетов от совокупности выбросов стационарных и передвижных источников. Основным преимуществом расчетных методов является возможность моделировать перспективное распределение примесей на территории города с учетом различных вариантов развития народнохозяйственных комплексов и природоохранных мероприятий. Однако в условиях городской застройки, трансформации и выпадения примесей и вклад дальнего переноса в ряде математических моделей не учитываются.
Для оценки степени загрязнения атмосферного воздуха металлами используют метод геохимического картирования территории городов, позволяющий оценить структуру загрязнения воздушного пространства городов различного типа, выявить зависимости между территориальной геохимической структурой и показателями здоровья населения и на основе этого установить возможные изменения состояния здоровья населения, характерные для городов различного типа [46].
Принципом этого метода является геохимическое картирование распределения тяжелых металлов и некоторых других ингредиентов в почве и снежного покрове, т.е. в природных средах, концентрирующих загрязнения. Это позволяет быстро и достаточно подробно выявить пространственную структуру состояния среды и установить очаги ее загрязнения. Практическая возможность такого подхода основана на исследованиях корреляционных связей в окружающей среде между распределением загрязняющих веществ в атмосферном воздухе и в депонирующих средах - почве и снежном покрове [70].
Большинство геоэкологических исследований крупных промышленных городов можно отнести к статистико-отраслевому (городская среда представляется в виде множества различных показателей и их замеров) и статистико-комплексному (разработка методического аппарата, позволяющего свести различные показатели в единое целое) подходам [23, 66, 84, 77, 89]. Но зачастую эти исследования носят разовый характер. Это не дает возможности увидеть динамики изменения (в лучшую или худшую сторону) общего состояния окружающей среды на урбанизированной территории на протяжении ряда лет. В этом плане регулярные исследования, проводимые на территории г. Ростова-на-Дону с 1989 г., являются уникальными в своем роде [67].
Эколого-геохимический мониторинг, проводимый на территории г. Ростова-на-Дону
Город Ростов-на-Дону располагается в юго-западной части Ростовской области, в 46 км. выше устья р.Дон. За последние 100 лет. площадь города увеличилась более чем в 10 раз. За это время доля промышленных зон на территории города увеличилась в 3 раза, доля зеленой зоны города, несмотря на большие посадки леса в северовосточной части города, произведенные в советское время, значительно уменьшилась. "Наползание" города на природные ландшафты вызывает негативные последствия во всех жизнеобеспечивающих средах [66].
Многоотраслевая промышленность г. Ростова-на-Дону, энергетические предприятия, автотранспорт и развитое коммунальное хозяйство определяют мощный "геохимический пресс" на природные системы. В черте города располагается свыше 150 промышленных предприятий, несколько ТЭЦ и крупных котельных, до города дотягивается шлейф выбросов в атмосферу Новочеркасской ГРЭС, вблизи городских кварталов дымят неорганизованные свалки. Все это не улучшило экологическую ситуацию на территории города. Следовательно, главной целью эколого-геохимического мониторинга, проводимого на территории г. Ростова-на-Дону с 1989 года Комитетом по охране окружающей среды, является оценка состояния окружающей среды, контроль ее изменениями под воздействием техногенных факторов, прогнозирование этих изменений на базе регулярных наблюдений для обоснования мероприятий по оздоровлению экологической ситуации в городе [68, 69].
Балансовая геохимическая модель миграции загрязняющих веществ на урбанизированной территории
Частным случаем миграционной модели загрязнения урбанизированной территории для оценки динамики распространения загрязняющих веществ является балансовая геохимическая модель загрязнения урбанизированной территории, использующая имеющиеся данные о многолетних наблюдениях загрязнения почвы, поверхностных вод, атмосферных выпадений на территории г. Ростова-на-Дону. Опираясь на полученные в результате расчета данные, можно проводить анализ, синтез эколого-геохимической информации, прогнозировать ситуацию, осуществлять выбор стратегий управления.
В качестве загрязняющего вещества для апробации работы модели был выбран свинец. Данный выбор был обусловлен следующими факторами:
- Свинец является одним из приоритетных и опасных загрязнителей природной среды. Большинство соединений свинца малоподвижны, поэтому опасность накопления техногенного свинца в почвах особенно велика. Весьма опасно накопление свинца в промышленных центрах, в почвах напряженного транспорта, вдоль автострад. Почвы сельскохозяйственной местности содержат в 10-20 раз меньше свинца, чем почвы городских районов. Содержание свинца в почвах и растительности вдоль дорог на расстоянии 15-20 м от них резко повышено по сравнению с фоновым содержанием, что отрицательно сказывается на качестве сельскохозяйственной продукции, выращиваемой вдоль дорог - Свинец обладает наиболее длительным временем вымывания из атмосферы по сравнению с другими химическими элементами (РЬ -3,6 суток, в то время как для Mn, Ni,Fe,Al, Си этот показатель равен 1,1-1,6 суток). - наличие количественной связи между концентрациями в сопредельных средах, таких как атмосферный воздух и почва.
При разработке балансовой модели были сделаны некоторые допущения. Основной миграционный путь свинца в биосфере связан с нерастворимыми и слаборастворимыми его соединениями. В атмосфере он мигрирует с твердофазными пылевыми частицами или в виде органоминеральных взвесей и аэрозолей. При изучении твердофазных и жидких атмосферных выпадений выяснилось, что в жидкой фазе (талые, ливневые воды, снеговая или дождевая вода) свинец встречается в концентрациях на 2-3 порядка ниже его концентрации в твердой фазе. Поэтому в модели рассматриваются только его выпадения из атмосферы с твердофазным материалом и его вынос из урболандшафтов с взвесями в ливневом стоке [30].
Для построения балансовой модели миграции загрязняющих веществ необходимо произвести разбиение городской территории на единичные ландшафты, в рамках которых протекают однотипные геохимические процессы.
По определению Б.Б.Полынова, «элементарный ландшафт, в своем типичном проявлении, должен представлять один определенный тип рельефа, сложенный одной породой или наносом и покрытый в каждый момент времени своего существования определенным растительным сообществом. Все эти условия создают определенную разность почвы и свидетельствуют об одинаковом на протяжении элементарного ландшафта развитии взаимодействия между породами и организмами» [65].
Одна из особенностей элементарных ландшафтов - обязательное отсутствие внутренних причин, ограничивающих площадь их распространения - была положена в основу разработанного А.И.Перельманом [64] критерия выделения элементарного ландшафта. При отнесении какого-либо участка земной поверхности к элементарному ландшафту необходимо учитывать возможность (хотя бы мысленную распространения данного элементарного ландшафта на значительно большей территории.)
В природных ландшафтах закономерности их развития и существования определятся природными факторами (климат, рельеф, состав подстилающих пород и т.д.). Техногенные ландшафты - ландшафты, происхождение и развитие которых обусловлено деятельностью человека: городские жилые кварталы, промзоны, карьеры, свалки. К природно-техногенным следует отнести ландшафты, происхождение и само существование которых непосредственно связано с деятельностью человека, но природные факторы также играют важную роль в их формировании и развития. К ним относятся орошаемые и богарные пашни, сады, пруды, парки, скверы. Для характеристики элементарных ландшафтов используют такие понятия как площадь выявления (наименьшая площадь, на которой представлены все части данного элементарного ландшафта) и мощность ландшафта (расстояние от зоны распространения земной пыли в тропосфере до горизонта грунтовых вод) [17].
Другим важным понятием является геохимический ландшафт. По определению данному Полыновым и Глазовской [64], геохимический ландшафт - это совокупность элементарных ландшафтов, расположенных в пределах литологически однородной территории, генетически связанных потоками растворенных и взвешенных веществ и характеризующихся определенных типом миграции химических элементов.
На урбанизированной территории уже на первом этапе выделяются функциональные зоны, которые объединяют территории по виду их хозяйственного использования. Это промышленные, селитебные и зеленые зоны, а также автомагистрали с интенсивным движением.
В зеленые зоны отнесены парки, скверы, бульвары, лесонасаждения зеленого кольца, дачные массивы, пустыри, поля и огороды и даже старые кладбища с развитой древесной растительностью.
Селитебные зоны разделены на подзоны малоэтажной плотной застройки в старой части города, многоэтажной слабо озелененной, сравнительно молодой застройки и частные домовладения с прилегающим небольшим участком земли. Отличие подзон заключается в различной циркуляции воздушных масс, в плотности населения на единицу площади, степени озеленения жилых кварталов, в их взаимодействии с техногенными геохимическими потоками.
На втором этапе производится разделение ландшафтов с учетом растительного покрова. Данное выделение элементарных ландшафтов производится с учетом коэффициента уменьшения техногенной атмохимической нагрузки за счет связывания загрязняющих веществ растительностью - Ар.
Дальнейшее разделение городских ландшафтов производится с учетом коэффициента увеличения (или уменьшения) величины поверхностного стока за счет перекрытия поверхности земли зданиями, сооружениями, асфальтом и бетоном - Ас. Коэффициент поверхностного стока определяет
соотношение стока атмосферных осадков по закрытой поверхности (в ливневую канализацию или, что встречается гораздо чаще, непосредственно в городские водоемы и водотоки) и фильтрации осадков в почвенные горизонты и в грунтовые воды при близком их залегании.
Возможность миграции загрязняющих веществ с атмосферными осадками в грунтовые воды учитывалась введением миграционного коэффициента Кт, величина которого определяется рельефом местности и глубиной залегания грунтовых вод.
Таким образом, на территории города было выделено 50 типов элементарных ландшафтов, которым была присвоена уникальная кодировка, дающая сведения о функциональной зоне, степени перекрытия поверхности земли зданиями, сооружениями, асфальтом и бетоном, степени защищенности подземных вод от загрязнения.
Структура программного комплекса
ПК состоит из 4 блоков: ? информационно-аналитическая система; ? геоинформационная система; ? балансовой модели; ? оценка качества окружающей среды, и реализует следующие возможности: ? сбор, классификация и упорядочивание экологической информации; ? исследование динамики изменения состояния экосистемы в пространстве и во времени; ? проведение анализа данных в заданной точке для выбранных показателей по датам наблюдений (временной анализ); ? получение нормированных и интегральных оценок; ? формирование оценки по заданному показателю по перечню контрольных постов (пространственный анализ); ? построение тематических карт по результатам проведенного анализа; ? моделирование природных процессов в различных средах; ? оценка ситуации и прогноз развития экологической обстановки на урбанизированной территории. Схема взаимосвязи блоков ПК представлена на рис 3.1. Информационно-аналитическая система Геоинформационная система Балансовая геохимическая модель
При реализации программного комплекса использовалась клиент-серверная технология. В качестве клиента выступает информационная система «Состояние окружающей среды урбанизированной территории», а в качестве сервера - геоинформационная система. Клиент-серверная технология обеспечивает распределение работы с данными в зависимости от поставленных задач. Ввод, обработка и корректирование данных осуществляется при помощи интерфейса клиентской части системы. На серверной стороне ГИС, при помощи существующих встроенных методов анализа, происходит визуализация данных и моделирование экологической ситуации (рис. 3.3).
При создании программного продукта, описывающего сложную систему, такую как, например, городская среда, когда отдельные задачи связаны общей целью, появляется необходимость формирования общей базы данных, что позволяет значительно упростить организацию хранения, информационного поиска и реализацию различных расчетов. Для решения данной задачи существует несколько подходов.
Первый подход предусматривает непосредственное подключение базы данных (БД) к программному комплексу и получение от нее необходимой информации. Однако, на обработку подобного запроса, требуется значительно больше времени, чем при обычной работе.
Второй подход предусматривает объединение информационных структур и алгоритмов в единую БД. При таком подходе разработанная БД оказывается зависимой от программного комплекса и не может существует вне его.
Третий подход предполагает, что комплекс программ изолирован и использует традиционную организацию данных. Связь между данным и программным комплексом осуществляется с помощью программ сервиса. В качестве таких программ сервиса выступают различные системы управления данными (СУБД), которые обеспечивают возможность динамического развития информационных систем. Данная организация данных наиболее универсальна, так как позволяет создать оперативную систему, способную работать в диалоговом режиме, быстро отрабатывать поступающие запросы, выдавать справочную информацию. На одной и той же БД может строиться целое семейство моделей, отвечающих разным задачам и использующих данную информационную базу в различном объеме [56].
Этот подход и был использован при создании структуры базы данных ПК «Состояния окружающей среды урбанизированной территории». Единая база данных объединяет всю информацию о природных объектах и источниках загрязнения. Это обеспечивает возможность свободного доступа к данным из любого блока ПК и обмен данными между блоками, а так же проведение моделирования распространения вредных веществ в почве, воздушной, водной средах с целью исследования сложившейся обстановки и выработки рекомендаций по ликвидации последствий кризисных ситуаций и по рациональному природопользованию. Вся информация разделена на разделы: 1. литохимия; 4. гидрохимия, 2. атмохимия; 5. гидрогеохимия 3. биохимия 6. шумовое загрязнение В качестве фактических данных были использованы материалы о многолетних наблюдениях проводимых Комитетом по охране окружающей в г. Ростове-на-Дону с 1989 года: данные по загрязнению верхнего почвенного слоя - литохимия; данные по сезонному по загрязнению атмосферы (снеговая съемка и летние атмохимические наблюдения) - атмохимия; максимальные, минимальные, эквивалентные значения шумовой нагрузки в дневное время, а также эквивалентное значение шумовой нагрузки ночью; данные по загрязнению четырех рек города; данные по загрязнению ливневых вод (информация по улицам города, по разным датам отбора проб; информация по загрязнению подземных вод; информация по загрязнению грунтовых вод; данные анализа загрязнения фруктов и овощей , выращиваемых на территории города; данные по подтоплению (приращение уровня грунтовых вод); информация о ландшафтах, расположенных на территории города, информацию по местоположению проб на территории города; информацию о предприятиях по каждой промышленной зоне города с указанием отрасли; банки данных улиц, районов, зон, контуров, предприятий, загрязняющих веществ.
При создании структуры БД была использована реляционная модель данных, определяющая реальные объекты и взаимосвязь между ними в виде отношений. Это обусловлено следующими факторами: - использование двумерных таблиц для представления большинства структур данных - самый простой способ работы с базами данных; -операции проекции и соединения позволяют "резать" и "склеивать" отношения, что позволяет получать разнообразные файлы в нужной форме; -физическое размещение "плоских" файлов намного проще, чем размещение иерархических и сетевых структур, -реляционное представление дает ясную картину взаимосвязей атрибутов из различных отношений [60]. Вся информация разбита по периодам наблюдений. К имеющейся информации был применен процесс нормализации, реализующий взаимоотношение и хранение данных в таблицах базы данных. При нормализации происходит ограничение количества повторяющихся в ней данных. Все таблицы, разработанной базы данных, были приведены к третьей нормальной форме, которая является основой для разработки любой реляционной базы данных. А именно, структура данных была организована таким образом, что бы в таблицах не было избыточной не ключевой информации, связанной с не ключевой информацией в других таблицах [50]. На рис. 3.4 приведен фрагмент физической модели данных информационно-аналитической системы.
Обзор существующих программных продуктов для создания геоинформационных систем
Пакет Maplnfo, разработанной американской корпорацией Mapping Information Systems Corp., занимает ведущие позиции среди геоинформационных систем для персональных компьютеров. Данный программный продукт обладает широкими возможностями, позволяющими на ее базе создавать не только картографические произведения, но и геоинформационные системы. В ее состав входит специализированный язык программирования MapBasic, имеющий имеет структуру и идеологию семейства Basic-языков. Арсенал MapBasic достаточно обширен, с его помощью к программе Maplnfo можно подключать модули, созданные в среде Visual Basic и С"1-1", а так же снабдить программу собственными диалогами и справочной системой, наладить связь с другими программами и т.д., то есть создать «под ключ» геоинформационную систему конечного пользователя. Предоставленная возможность совмещения растровой графики с векторной значительно облегчает создание и восприятие данных. Система предоставляет широкие возможности для управления базами данных, созданными как в самой программе, так и в других программах, работающих под управлением Windows.
В Maplnfo также сильно развита система запросов. Запросы бывают двух типов: простые и сложные. Первые, довольно простые запросы, включают в себя сортировку, выборку, объединение объектов, различные математические действия с частями базы данных. Они имеют вид так называемых запросов QBE (query by example - запрос по образцу), где указываются части базы данных, над которыми необходимо произвести действия, и сами действия.
Формирование вторых (сложных) запросов происходит с использованием языка SQL (structure query language - структурный язык запросов).
Есть также третий специальный (статистический) тип запросов, рассчитывающих максимальные, минимальные, средние значения, сумму, среднее отклонение и т.д.
Собственная СУБД Maplnfo поддерживает географические запросы, то есть запросы к базе данных с учетом взаимного расположения объектов - пересечения, включения.
Особенностью данной системы является создание только одного типа структуры базы данных для каждого из создаваемых слоев, а также геокодирование файлов баз данных, связанных с объектами в системе. В то же время в системе имеется возможность подключения внешних баз данных в наиболее распространенных форматах, например, dbf, Excel, ASCII и др. Связь с существующими слоями происходит путем задания соответствия по какому-либо из столбцов таблицы.
Удачно спроектированный интерфейс Maplnfo содержит команды и операции, представляющие в понятной и естественной форме концепцию геоинформатики, а также позволяющие применять опыт, накопленный при работе с Microsoft Excel, Corel Draw и другими популярными пакетами.
Данный программный продукт разработан компанией ESRI, признанным лидером в создании и продвижении ведущих геоинформационных систем, с учетом передовых тенденций развития информационных технологий и растущих требований многочисленных пользователей. Платформа ArcGIS 9 является оптимальным решением для построения корпоративной ГИС, фундамента информационной системы эффективного управления крупными государственными и коммерческими организациями [13].
ArcGIS 9 построена на основе стандартов компьютерной отрасли, включая объектную архитектуру COM, .NET, Java, XML, SOAP, что обеспечивает поддержку общепринятых стандартов, гибкость предлагаемых решений, широкие возможности взаимодействия. Фундаментальная архитектура ArcGIS 9 обеспечивает ее использование во многих прикладных сферах и на разных уровнях организации работы: на персональных компьютерах, на серверах, через Web, или в «полевых» условиях. Созданная компанией ESRI модель базы геоданных определяет структуру и правила хранения различных видов данных - векторных и растровых, адресных точек, данных геодезических измерений, и многих других. Уникальная технология позволяет эффективно хранить разнородные данные и с легкостью использовать их в сложных проектах и системах. В базе геоданных пользователи могут задавать правила и отношения внутри хранилища, которые определяют поведение пространственно взаимосвязанных географических объектов и объектных классов и обеспечивают целостность данных.
Экспорт базы геоданных в формат XML позволяет перевести всю базу геоданных, или отдельные ее элементы в обменный формат, доступный для других приложений.
Одной из основных функций ГИС является геообработка, т.е. анализ географической информации. ArcGIS 9 содержит более 450 инструментов: для проведения анализа, конвертации, управления данными, геокодирования, динамической сегментации, картографии, работы с растрами; от оверлейных операций, построения буферных зон, инструментов для выявления пространственных закономерностей и управления данными до расширенных возможностей обработки растров, методов интерполяции и оценки качества данных, зональной фильтрации, многофакторного анализа, растровой алгебры, построения и проверки топологии, построения графических схем.
ArcGIS предоставляет возможность быстрого создать реалистичной виртуальной 3D сцены на основе пространственных данных, как локального уровня, так и в масштабе всей Земли, с использованием цифровых моделей рельефа, космических и аэроснимков, любых векторных данных и фотореалистичных моделей объектов.
Текущий список форматов, с которыми работает продукт, изначально включает ГИС-форматы корпорации Intergraph, такие, как MGE, MGE Segment Manager, FRAMME а также форматы Arc/Info, Arc View, Oracle SC, Microsoft Access , Microsoft SQL Server , Mapinfo , AutoCad DWG/DXF, MicroStation и множество растровых форматов, как широко известных, так и специализированных.
GeoMedia Professional - адаптируемый и программируемый с помощью стандартных для Windows средств разработки продукт. Адаптация под конкретные нужды не требует знания специальных языков программирования и может производится с использованием таких хорошо известных разработчикам мира Windows инструментов, как Microsoft Visual C++, Microsoft Visual Basic, Borland Delphi и других. GeoMedia поддерживает OLE и полностью собрана из СОМ объектов, что позволяет достаточно просто встраивать и использовать функциональность GeoMedia Professional в других программных приложениях Windows.
В качестве основного аппарата исследования в данной диссертационной работе был применен программный комплекс ArcGIS Desktop 9.1., позволяющий в полной мере реализовать цели данной работы и отвечающий всем требованиям, выдвигаемым к современным ГИС.
Для решения поставленных задач по обработке точечных данных об экологическом состоянии г.Ростова-на-Дону, а также моделированию процессов загрязнения городской среды в работе использовался модуль ArcGIS Spatial Analyst, предназначенный для построения поверхностей какого-либо показателя, как по регулярной, так и по нерегулярной сети точек методами интерполяции.
ArcGIS Spatial Analyst содержит набор функций для пространственного моделирования и анализа: интерполяция различными методами, создание растровых данных, пространственная фильтрация и растровая алгебра, гидрологический анализ, построение профилей, зон видимости и объемов, а так же позволяет решать множество аналитических задач, так как выявление пространственных взаимосвязей, построение стоимостных поверхностей, многофакторный анализ и определение подходящих местоположений [14].
Интерполяция рассчитывает значения ячеек растра на основании ограниченного числа точек измерений. Ее можно использовать для вычисления неизвестных значений любых географических точечных данных: высоты над уровнем моря, уровня осадков, концентрации химических веществ, уровня шума и т.д.[34,48].
