Введение к работе
Актуальность работы. Существует широкий круг задач, связанных с выявлением пространственной структуры однородных по своим свойствам зон природных и природно-техногенных объектов или явлений, например, зон повышенного загрязнения, зон распространения различных популяций, зон заболеваемости опасными болезнями и др. Решение подобных задач осуществляется с использованием различных подходов к моделированию однородных территориальных зон (ОТЗ) на основе пространственного анализа экспериментальных данных с применением технологий геоинформационных систем (ГИС-технологий). Исходные данные в задачах моделирования ОТЗ, как правило, получаются в ходе натурного эксперимента, результатом которого является выборка многомерных пространственных данных. Высокая стоимость организации и проведения натурного эксперимента в науках о Земле, а также характерная для решения ряда задач труднодоступность исследуемой территории являются основными причинами того, что измерения совокупности характеристик объектов исследования проводятся в малом числе пунктов отбора проб, как правило, нерегулярно распределенных по территории.
Известные подходы к моделированию ОТЗ традиционно используют
статистические методы анализа экспериментальных данных [Тикунов В. С., 1997;
Сердюцкая Л. Ф. и др., 2009; Royle A. и др., 2008; Lawson A. и др., 2009; Poh Chin Lai и
др., 2009]. Другие подходы основаны на использовании интегрального показателя,
рассчитанного на имеющейся совокупности характеристик, либо на одной-
единственной характеристике объекта исследования [Кузьмиченок В. А., 2003;
Ковалева Т. М., 2008; Катаев М. Ю. и др., 2010; Тимонин С. А., 2010; Кулик К. Н. и др.
2010]. Особенности использования существующих подходов к моделированию ОТЗ
(требование соответствия выборки исходных данных нормальному закону
распределения, необходимость использования обучающей выборки, требование наличия регулярной сети измерений) не позволяют применять их в условиях малого объема многомерных экспериментальных данных.
В связи с этим возникает необходимость разработки нового подхода к решению
задач моделирования ОТЗ в условиях малого объема исходных данных. Спецификой
исходных данных, получаемых в ходе натурного эксперимента, является их
многомерность и пространственный характер свойств исследуемых объектов. Для
анализа многомерных данных перспективным является использование методов
многомерной автоматической кластеризации, которые не предъявляют особых
требований к выборке исходных данных. Для учета пространственных свойств
исследуемых объектов, таких как географические координаты, площадь,
протяженность, взаимное расположение объектов и др. традиционно используются методы ГИС-анализа, реализуемые в геоинформационных системах. Поэтому актуальным является разработка нового подхода к моделированию ОТЗ в условиях малого объема исходных данных на основе сочетания методов многомерной кластеризации и ГИС-анализа. Методические вопросы такого подхода в настоящее время не разработаны, что и определило цель настоящей работы.
Целью диссертационной работы является разработка математической модели совокупности однородных территориальных зон в условиях малого объема экспериментальных данных, алгоритма построения модели и комплекса программ имитационного моделирования на основе сочетания методов многомерной кластеризации и ГИС-анализа.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
провести анализ современного состояния вопросов математического моделирования однородных территориальных зон на основе экспериментальных данных о пространственно-распределенных объектах, представленных многомерными массивами малого объема;
разработать математическую модель совокупности однородных территориальных зон, пригодную для использования в условиях малого объема экспериментальных данных и нерегулярной сети наблюдений;
разработать алгоритмы моделирования и создать комплекс программ имитационного моделирования совокупности однородных территориальных зон в условиях малого объема исходных данных;
провести исследование адекватности разработанной математической модели совокупности однородных территориальных зон с использованием экспериментальных данных;
проиллюстрировать использование результатов диссертационных исследований на практических примерах.
Методы исследования базируются на теориях математического моделирования и многомерной кластеризации, а также на методах прикладной математики, ГИС-анализа, численного анализа, прикладного программирования. Для создания программных продуктов применялась технология объектно-ориентированного программирования.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:
-
Предложена математическая модель совокупности однородных территориальных зон, применимая в условиях малого объема многомерных экспериментальных данных и реализуемая с использованием нового алгоритма, основанного на сочетании методов многомерной кластеризации и ГИС-анализа.
-
Разработан численный метод исследования адекватности математической модели совокупности однородных территориальных зон, отличительной особенностью которого является использование тестовых цифровых карт однородных зон, полученных на основе долговременных натурных экспериментов в различных отраслях наук о Земле.
-
Разработан комплекс программ имитационного моделирования, отличительной особенностью которого являются реализации нового алгоритма построения модели совокупности однородных территориальных зон и нового алгоритма преобразования результатов кластеризации к формату представления модели в геоинформационной системе.
Практическая значимость. Практическую ценность работы представляет разработанный алгоритм построения математической модели совокупности однородных территориальных зон и реализованный комплекс программ имитационного моделирования, позволяющий создавать модели однородных зон в условиях малого объема экспериментальных данных. Разработанный комплекс программ имитационного моделирования может быть использован также для комплексного анализа результатов междисциплинарных исследований в различных отраслях наук о Земле. Практическую ценность имеют результаты решения прикладных задач, полученные с использованием разработанного комплекса программ имитационного моделирования.
Реализация и внедрение результатов работы. Комплекс программ
имитационного моделирования однородных территориальных зон используется в Институте химии нефти СО РАН для анализа данных о физико-химических свойствах нефтей, что подтверждается актом внедрения.
Разработанный комплекс программ имитационного моделирования был
использован в Югорском научно-исследовательском институте информационных технологий при выполнении работ по договору с ООО “РН-УфаНИПИнефть” по теме “Оценка перспективы нефтедобычи пластов баженовской свиты на месторождениях ООО “РН-Юганскнефтегаз”, что подтверждается актом внедрения.
Полученные в диссертации результаты были использованы в Югорском государственном университете при выполнении научно-исследовательских работ по Государственному контракту № 14.740.11.0409 (по заказу Минобрнауки РФ) на выполнение НИР “Мониторинг состояния окружающей среды таежной и тундровой зон Западной Сибири в условиях глобальных изменений климата с использованием комплексного подхода на основе методов биоиндикации, дистанционных и наземных исследований”, что подтверждается актом внедрения.
Разработанная система имитационного моделирования используется при проведении научных исследований сотрудниками, аспирантами и магистрантами кафедры экологии и природопользования Югорского государственного университета, а также в учебном процессе при проведении лекционных занятий и при выполнении лабораторных работ по дисциплине “Экологические информационные системы” для студентов магистратуры по направлению “Экология и природопользование”.
Защищаемые положения:
-
Математическая модель совокупности однородных территориальных зон, применимая в условиях малого объема экспериментальных данных и реализуемая с использованием нового алгоритма, основанного на сочетании методов многомерной кластеризации и ГИС-анализа.
-
Численный метод исследования адекватности математической модели совокупности однородных территориальных зон, основанный на использовании тестовых цифровых карт однородных зон.
3) Комплекс программ имитационного моделирования, реализующий новый
алгоритм построения модели совокупности ОТЗ и новый алгоритм преобразования
результатов многомерной кластеризации к формату пространственных данных,
пригодных для проведения ГИС-анализа с использованием геоинформационных
систем.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были
изложены на международных и всероссийских конференциях и симпозиумах, в том
числе на Всероссийской конференции “Северный регион: наука и социокультурная
динамика” (Сургут, 2002), на 2-ом Региональном симпозиуме “Химия и окружающая
среда” (Сербия, 2003), на Международной конференции “Вычислительно-
информационные технологии для наук об окружающей среде” (Томск, 2003), на 21-ой
Международной конференции по органической химии (Польша, 2003), на 2-ой
Международной научно-практической конференции “Эколого-географические
проблемы природопользования нефтегазовых регионов” (Нижневартовск, 2003), на международной конференции “Экология Сибири, Дальнего Востока и Арктики” (Томск, 2003), на Международной конференции по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды “Enviromis – 2004” (Томск, 2004), на 4-ом Международном симпозиуме “Контроль и реабилитация окружающей среды” (Томск, 2004), на 10-ой Международной научно-практической
конференции по проблемам защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций (Москва, 2005), на 7-ом Сибирском совещании по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2007).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 16 печатных работ, в том числе 3 в рецензируемых журналах из перечня ВАК и 1 свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 138 страниц, включая 31 рисунок, 10 таблиц, 9 приложений и список использованной литературы из 140 источников.
