CC BY
49
МАТЕМАТИКА, ИНФОРМАТИКА И ИНЖЕНЕРИЯ
DOI 10.46566/2412-9682_2022_91_240
Аликулов А. Б. студент магистратуры Ташкентский университет информационных технологий
Эшмурадов Д. Э. доцент
Ташкентский государственный технический университет
АНАЛИЗ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ
Аннотация. Данная статья посвящена применению ГИС-систем в экологическом мониторинге. Обобщены данные о разных геоинформационных технологиях, применяемых при мониторинге окружающей среды, сделаны выводы.
Ключевые слова: ГИС-технологии, экологический мониторинг, программный комплекс.
Alikulov A.B. graduate student Tashkent University of Information Technologies
Eshmuradov D.E. associate professor Tashkent State Technical University
ANALYSIS OF MONITORING THE STATE OF THE ENVIRONMENT
USING GIS TECHNOLOGIES
Annotation. This article is devoted to the use of state systems in environmental monitoring. Data on various geo information technologies used in environmental monitoring are summarized, conclusions are drawn.
Keywords: GIS technologies, environmental monitoring, software package.
Актуальность исследования. Главнейшим инструментом охраны природы является экологический мониторинг. Современным сообществом признана необходимость предупреждения отрицательного влияния деятельности человека на природу и необходимость полных и качественных данных о процессах в природе с целью обеспечить безопасность людей, в частности, от экологических катаклизмов. В выше указных ситуациях очень полезными являются разработанные
информационные системы, обобщающие, организующие и представляющие в наглядном виде итоги исследований объектов природы, так как видов данных объектов очень и очень много, не говоря уже о количестве самих данных объектов, а принимать управленческие решения часто надо в ограниченный период.
Для решения данных и аналогичных задач создавались геоинформационные системы (далее ГИС), которые являются аппаратно-программными человеко-машинными комплексами, обеспечивающими сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-координированных данных, интегрируют данные, информацию и знания о территории. В ГИС объединяются картографические материалы, данные дистанционного зондирования, итоги полевых обследований территорий, практические и теоретические данные для их эффективного применения. С помощью ГИС осуществляют привязку экологической информации к пространственным объектам.
Цель данной статьи - анализ возможностей ГИС-технологий в проведении экологического мониторинга и существующих примеров использования данных возможностей.
Для того, чтобы выяснить какие задачи экологического мониторинга можно реализовать, применяя ГИС-технологии сначала надо обозначить, какие в общем задачи есть в экологическом мониторинге.
В соответствии Законом Республики Узбекистан «Об охране природы» задачами единой государственной системы экологического мониторинга являются:
- регулярно наблюдать за состоянием природы,
- хранить и обработать получаемые данные,
- анализировать данные с целью своевременно выявить изменения состояния природы,
- оценивать и прогнозировать данные изменения,
- обеспечивать органы государственной власти, органы местного самоуправления, юридических лиц, индивидуальных предпринимателей, физических лиц данными о состоянии природы [5].
Таким образом, главной задачей мониторинга на современном этапе является получение возможности применения данных, то есть наблюдается направленность на управление. Данный факт является очень важным, так как без представления о итоговом применении данных у наблюдений нет четкой цели и сама информация может оказаться как избыточной, так и недостаточной, и информация просто будет не нужна.
Теоретически задачами мониторинга является соблюдение принципов формирования и ведения рассматриваемого мониторинга, к которым относятся:
1) преемственность, то есть интеграция имеющихся ведомственных технологий наблюдения за состоянием природы;
2) открытость, то есть способность включить в себя появившиеся технологии, которые построены на разных принципах;
3) согласованность компонентов — объемы собираемой информации должен соответствовать возможностям дальнейшего анализа данных, обработка полученных показателей потребностям применения их для принятия решений, сбора данных для анализа закономерностей;
4) возможность эволюции в соответствии с техническим прогрессом и изменениями ситуации на рассматриваемых территориях [4].
Как указано выше, ГИС является аппаратно-программным и человеко-машинным комплексом который, предназначен для решения разнообразных научных и практических задач, особенностью которого является взаимосвязь данных с территориальным нахождением объектов, что наилучшим способом подходит для работы над задачами экологического мониторинга, которые были перечислены выше.
Ряд ученых (например, Колесников А.Н.) к задачам ГИС экологического мониторинга относят:
- мониторинг и спрогнозировать динамику изменения ситуации на анализируемом объекте и территории в пространстве и во времени;
- построить тематические карты конкретных территорий;
- моделировать природные и антропогенные процессы.
Необходимо указать нерешенные на данный момент ряд проблем в
сфере создания ГИС экологического мониторинга:
Отсутствуют эффективные методы и алгоритмы анализа информации ДЗЗ в условиях неполных и нечетких данных;
Отсутствуют эффективные методы и алгоритмы мониторинга объектов на основе искусственного интеллекта и генетических подходов;
Имеющиеся системы мониторинга экологических ситуаций не применяют многие современные технологии [1].
Сами ГИС можно классифицировать по ряду оснований:
пространственный охват, объект и предметная область информационного моделирования, проблемной ориентации,
функциональные возможности, способ организации географической информации, уровень управления и т.д.
ГИС разрабатывают в соответствии с целью применения конкретной системы экологического мониторинга (к примеру, работы таких ученых, как Куролап С.А., Клепикова О.В, Виноградова П.М., Гриценко В. А.).
Например, структура базы данных для интегральной экологической оценки и геоинформационного обеспечения городского медико-экологического мониторинга, помимо информации о состоянии окружающей среды, имеет блок биотической и медицинской информации и цифровую карту промышленных зон. На основе данного специализированного ГИС-комплекса выявили источники загрязнения, статистически подтвердили зависимость между данными источниками
загрязнения и заболеваниями, сформировали стратегию по уменьшению содержания в воздухе токсичных соединений.
Использование ГИС-технологий в экологическом мониторинге надо рассматривать на примере программных комплексов обработки спутниковой информации научно-исследовательских центров
Например, совместно с ИКИ, РАН, РГРТУ, ИВМиМГ СО РАН, СПбГУ, МГУ, ИВТ СО РАН, ЮНИИ И, ВЦ ДВО РАН НИЦ «Планета» создала и внедрила в практическое использование больше 40 специализированных программных систем анализа спутниковой информации, которые предназначены для решения задач гидрометеорологии и мониторинга природной среды, в частности Р1апе1аМопйоп^, С02-ИНКФС-2, PlanetaMultisat, ГИС Амур.
Проводить мониторинг уровня загрязнения природы можно с применением специально созданных автоматизированных информационных систем. Каждая такая система имеет свои функциональные особенности и предназначается выполнить конкретного рода задачи. К примеру, автоматизированная система наблюдений и контроля природы АНКОС АГ дает возможность в автоматическом режиме собирать, анализировать и передавать данные об уровне загрязнения атмосферы. Такая система лучше всего используется в населенных районах или в районе работы промышленных организаций, так как она может непрерывно производить замеры концентрации токсичных веществ и метеорологические данные воздуха.
Система контроля воздуха СКАТ специально разрабатывалась для применения в производственных зданиях, позволяющая постоянно производить автоматический контроль влажности атмосферы и присутствия в нем СО2. Постоянные автоматические замеры массовой концентрации токсичных соединений в атмосфере, а также контроль метеорологических характеристик и позволяет осуществлять с применением автоматического поста экологический контроль АПЭК атмосферы. На рисунке 1 представлена передвижная лаборатория АТМОСФЕРА. Ее функционал является достаточно широким. С помощью данной лаборатории на колесах осуществляется контроль за загрязнением атмосферы, производится измерение метеорологических параметров атмосферного воздуха, скорость и направление ветра. Оборудование лаборатории дает возможность мерить температуру и относительную влажность атмосферы, проводить экспрессную оценку загрязнения воды и почв. [1]
Рис.1. Передвижной экологический пост контроля атмосферы
Следующая группа систем называется геоинформационные системы (ГИС, географическая информационная система) и предназначена для хранения, анализа и перевода информации в графическую форму. Функциональные возможности таких систем позволяют изучать изменения климата и подземных вод, проводить оценку человеческого воздействия на природу.
В конце 2021 года предприятие Госкорпорации «Росатом» представило на рынке программный комплекс для моделирования движения подземных вод «Логос Гидрогеология». При помощи данного комплекса можно управлять рисками в чрезвычайных ситуациях и обеспечивать экологическую безопасность при эксплуатации техногенных объектов. «Логос Гидрогеология» позволяет оценить какое воздействие на подземные воды и грунт осуществляют техногенные объекты в обычном и аварийном режимах работы. Также система может с высокой точностью спрогнозировать вероятность затоплений, прорыв плотин и изменения уровня воды при строительстве гидросооружений, которые представляют чрезвычайную опасность при эксплуатации [2].
Еще одна разработка, помогающая решать экологические проблемы с помощью цифровых технологий, — это профессиональная ГИС «Панорама». Универсальная геоинформационная система позволяет создавать и редактировать цифровые карты и планы городов, обрабатывать данные, выполнять различные расчеты и измерения, оверлейные операции,
строить 3D модели, обрабатывать растровые данные, подготавливать графические документы в цифровом и печатном виде, а также система имеет набор инструментов для работы с базами данных [4].
Комплексное представление информационной продукции в виде картографических веб-сервисов позволяет оперативно, детально и качественно производить оценку гидрометеорологической ситуации и состояния окружающей среды в регионе, а также выявлять опасные природные явления.
Мониторинг воздействия нефтяных и газовых разработок на состояние природной среды.
Если речь идет об обработке информации исключительно с использованием современных информационных систем, персональных компьютеров и высокотехнологичных комплексов тогда можно выделить следующие наиболее популярные модели и методы: сетевая модель, матричная модель, графоаналитический метод, описание процедур на алгоритмическом языке, динамическая информационная модель [12].
Задачи мониторинга загрязнения окружающей среды природного или антропогенного происхождения решаются на основе комплексного анализа спутниковых данных различного пространственного разрешения и разных спектральных диапазонов [13]. На основе ГИС-технологий реализуются проекты по мониторингу воздействия нефтяных и газовых на состояние природной среды Республики Узбекистан. В результате выполнения проекта будут получены интегральные оценки экологического состояния региона. Разработанные технологии мониторинга загрязнения окружающей среды используются в интересах Узгидромета, МЧС Республики Узбекистан, Госкомприроды, а также органов власти различных уровней и других потребителей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе были рассмотрены задачи экологического мониторинга, большинство из которых уже несколько немыслимо решать без использования ГИС-технологий, для этого в том числе и созданных. Применение ГИС сокращает время на обработку данных, делает их более доступными для эффективного использования. Системы мониторинга нуждаются в согласованности компонентов, возможности интеграции существующих ведомственных технологий, построенных на различных принципах, что обеспечивается вариабельностью средств ГИС. Ей же обеспечивается возможность проведения пограничных исследований на стыке экологии и других фундаментальных направлений, например, медицины.
На примере программных комплексов обработки спутниковых данных научно-исследовательского центра космической
гидрометеорологии «Планета» были рассмотрены ГИС для мониторинга опасных явлений и ГИС для мониторинга антропогенного воздействия на
природную среду. Несмотря на схожий способ получения информации, описанные ГИС различаются тематикой, видами собираемых данных, формой представления и потребителями.
Подводя итоги, можно заключить, что применение ГИС весьма желательно в процессе экологического мониторинга с этапа сбора данных до интерпретации результатов анализов, что успешно реализуется и обязательно будет реализоваться дальше.
Использованные источники:
1. Горюнкова А. А. Современное состояние и подходы к разработке систем мониторинга загрязнения атмосферы / А. А. Горюнкова // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. — 2013. -№ 11. — с. 251-260.
2. Коняев С. В., Язиков Г. Е. Информационно-управляющая система предприятия «управление охраной окружающей среды» в дочерних обществах ПАО «Газпром» // Газовая промышленность. 2017. № S1 (750).
3. Соколов Ю. И. На пороге рискованного будущего // Проблемы анализа риска. 2014. Т. 11. № 2.
4. Колесенков А. Н. Современные подходы к обработке данных при построении геоинформационных систем экологического мониторинга / А. Н. Колесенков // Известия ТулГУ. Технологические науки. — 2016. — № 9. — С. 104.
5. Закон Республики Узбекистан «Об охране природы». 9 декабря 1992 г., № 754-XII.
6. Куролап С.А., Клепикова О.В, Виноградова П.М., Гриценко В. А. Геоинформационное обеспечение региональной системы медико-экологического мониторинга// Балтийский регион. — 2016. — № 4. — С. 149—161
7. Милехин О. Е. Применение спутниковой информации для решения задач гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды. / О. Е. Милехин, А. Б. Успенский, В. И. Соловьев. — 1. — Москва: НИЦ «Планета», 2020. — 66 c
8. ФЗ №7 от 10.01.2002 (изм. и доп.) «Об охране окружающей среды» // consultant.ru: [сайт]. — URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_34823/
9. Абрамов Н. Д., Зарубин О. А. Геоэкологический анализ радиационной обстановки территории города Никольска Пензенской области // Студенческий научный поиск - Науке и образованию XXI века: материалы IX Междунар. студенческой науч.-практ. конф.; Современный технический ун-т. Рязань, 2017. С. 105-109.
10. Балакин В. А., Голованова А. А., Комиссаров К. Г. Экологическая тропа «Радужная» как модель формирования современной экологической обстановки г. Раменское // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 6
11. Левашкина О. М., Каверин А. В. Применение ГИС-технологий для оценки состояния земель малых сельских поселений // Научное обозрение. Международный научно-практический журнал. 2016. № 1.
12. Эшмурадов Д. Э., Элмурадов Т. Д., Тураева Н. М. Автоматизация обработки аэронавигационной информации на основе многоагентных технологий //Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. - 2022. - Т. 25. - №. 1. -С. 65-76.
13. Eshmuradov D. E. et al. The Need To Use Geographic Information Systems In Air Traffic Control //Turkish Journal of Computer and Mathematics Education (TURCOMAT). - 2021. - Т. 12. - №. 7. - С. 1972-1976.
14. Эшмурадов Д. Э., Элмурадов Т. Д. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АВИАЦИОННОЙ СРЕДЫ //Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. - 2020. - Т. 23. - №. 5. - С. 67-75.
