CC BY
43
УДК 551.326.85 Паршин Александр Вадимович,
аспирант Института геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН, e-mail:lsarhin@rambler.ru
Руш Елена Анатольевна, д. т. н., профессор, зав. кафедрой «Безопасность жизнедеятельности и экология» Иркутского государственного университета путей сообщения тел. (3952) 63-83-52, e-mail: lrush@mail.ru Спиридонов Александр Михайлович, д. г.-м. н. профессор, зам. директора Института геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН
e-mail: spiridonov@igk. irk. ru
АВТОМАТИЗАЦИЯ OTC^^A ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ОЗЕРА БАЙКАЛ С ПРИМЕНЕНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ ГИС И WEB-ТЕХНОЛОГИЙ
A. V. Parshin, E.A. Rush, A.M. Spiridonov
AUTOMATION OF PROVIDING PROCESS FOR LAKE BAIKAL ECOLOGICAL MONITORING ON THE BASE OF MODERN GIS AND WEB TECHNOLOGIES
Аннотация. Приведены результаты исследований по автоматизации процессa обеспечения экологического мониторинга озера Байкал на основе использования ГИС и web-технологий в целях решения задач защиты окружающей среды.
Ключевые слова: геоинформационные системы, база данных, экологический мониторинг.
Abstract. The results of studies in automation providing process for Lake Baikal monitoring on the base of GIS and Web-technologies for the decision of environment protection tasks are considered.
Keywords: geo-informational systems, database, ecological monitoring.
Государственный мониторинг водных объектов является типовой задачей природопользования и осуществляется на всей территории Российской Федерации. При рассмотрении уникального природного объекта - озера Байкал организация системы мониторинга становится особенно актуальной и сложной задачей.
Как известно, Байкал является крупнейшим в мире пресным озером, его берега представлены уникальными по своей живописности ландшафтами, требующими своего сохранения в естественном виде, согласно Конвенции об охране всемирного культурного и природного наследия ЮНЕСКО и природоохранному законодательству Российской Федерации. Для оперативного получения
всесторонней и достоверной информации о состоянии экосистемы озера Байкал необходимо формирование системы мониторинга, адекватной по своей полноте и научно-техническому уровню, и степени ответственности за сохранность уникальной экосистемы озера Байкал [1, 2, 3].
Озеро Байкал характеризуется рядом особенностей, которые не только делают его уникальным природным объектом, но и затрудняют осуществление наблюдений за состоянием его экосистемы. Такие особенности, как большие линейные размеры, отсутствие каких-либо коммуникаций на большой протяженности береговой линии, суровые природные условия (сильные ветры, шторма), вода с низкими фоновыми концентрациями большинства химических элементов, предъявляют повышенные требования к надежности и чувствительности используемого оборудования, программному обеспечению, обслуживающему персоналу. Создание как самой системы мониторинга, так и технических средств для ее осуществления, является важной хозяйственной и научной задачей.
Информация о состоянии и динамике биологических компонентов экосистем позволяет понять причинно-следственные связи в таких комплексах, как абиотические - биотические составляющие природной среды и антропогенные факторы - окружающая среда. Многолетний опыт
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
научно-исследовательских организаций, вовлеченных в экологический мониторинг экосистемы озера Байкал, позволяет утверждать, что для достижения его главной цели - предотвращения неблагоприятных последствий изменения состояния окружающей природной среды необходимо осуществлять мониторинг биотических сообществ, входящих в состав экологических систем, с обязательным изучением гидрохимических свойств водных акваторий [2].
В настоящее время гидрохимические наблюдения за акваторией озера Байкал осуществляет подразделение Министерства природных ресурсов РФ - ФГУ «Востсибрегионводхоз».
Эти картограммы являются основой ежегодных «Аналитических отчетов о результатах наблюдений за состоянием каскада Ангарских водохранилищ и озера Байкал» и, кроме того, должны быть переданы заинтересованным службам и ведомствам в максимально короткий срок после окончания рейса. Однако следует отметить, что представленные на рис. 1 картограммы не могут быть получены при использовании ПО корабельного комплекса. Обработка данных осуществляется за пределами судна обычными пользовательскими ГИС, поскольку программное обеспечение комплекса «Акватория-Байкал» не обладает требуемой на данный момент функциональностью.
В период 2001-2009 г.г. обработка данных производилась раз в год, по окончании сезона ра-
бот перед выпуском отчета. Фактически в указанное время система не позволяла эффективно решать основные задачи программы мониторинга: своевременное выделение и прогнозирование развития негативных процессов, а также оперативное уведомление необходимых ведомств.
В 2010 году были получены данные, позволяющие четко сформулировать требования к корабельной системе для осуществления экологического мониторинга, в связи с чем ФГУ «Вост-сибрегионводхоз» было принято решение о модернизации как программной, так и аппаратной частей комплекса.
В настоящее время наиболее удобным инструментом для получения, хранения, визуализации и анализа пространственно распределенной информации являются географические информационные системы (ГИС). При этом под термином «геоинформационная система» подразумевается не программное средство - визуализатор базы данных (БД), а комплекс программно-аппаратных средств, служащий для сбора, хранения, обработки и выдачи пространственно распределенных данных. Структура разработанной нами ГИС для мониторинга водных объектов представлена на рис. 2.
Современная корабельная система для ведения гидрохимического мониторинга должна осуществлять: получение данных с приборов; получение координат с ОР8-ресивера; хранение полу-
-дШитический отчего результатах НАБЛЮДЕНИЙ ЗА СОСТОЯНИЕМ КАСКАДА
и озера МШ^м 2008-2№9 гг.
Федеральное агапйИлмйиых ресурс»» ФГУ « Восгсибрсгионводхоз»
МОННТОГИШ ВОЛ ОН Г\ БАЙКАЛ В 2<№*|.
Карта: Участки и время производства съёмки
Судно: "Исток"
И|чери1ельный комплекс: "Лкваюрнм Байкал - 2"
14 07 2009 • 31 07 2009 <153789 точв«) 01 08 2009 ■ 30 08 2009 (385383 точен) 15.10.2009 -16.10 2009 (31805 тачм)
Рис. 1. Аналитический отчет о результатах мониторинговых наблюдений и картограммы
Рис. 2. Структура разработанной ГИС для мониторинга водных объектов
ченной пространственной информации в базе данных; автоматическую классификацию данных в соответствии с установленными нормативами ПДК для выделения аномалий концентраций химических элементов; передачу полученных картограмм распределений в ответственные ведомства; хранение навигационной информации, поддержку навигации судна.
Кроме того, все компоненты системы должны быть способны работать в условиях низких температур и сильных вибраций.
Итак, для соответствия системы требованиям «Программы экологического мониторинга озера Байкал» в процессе исследований нам представлялось необходимым повысить надежность аппаратной составляющей, внедрить современные средства оперативного представления результатов мониторинга.
Главная задача исследований - создание ГИС, которая позволила бы получать результаты наблюдений непосредственно после производства измерений, причем в автоматическом режиме. Проблема надежности ПК решалась за счет использования устойчивых к качке и вибрации компонентов (вибростойкие подвесы для накопителей), а также внедрения системы клонирования жестких дисков и их быстрой замены.
Для снижения требований системы к человеческим ресурсам нами было разработано программное обеспечение, позволяющее отказаться от участия человека в процессах сохранения, предварительного анализа и представления данных. Необходимость в человеческом участии существует только при обслуживании гидрохимического оборудования, а также на этапе принятия решений по готовым картограммам.
Ядром данной системы является база данных PostgreSQL с пространственным расширением PostGIS. В ней хранится гидрофизикохимическая, батиметрическая, навигационная информация. В процессе движения судна база данных непрерывно пополняется информацией с приборов и координатами с GPS-ресивера для осуществления пространственной привязки результатов измерений и простейшей математической обработки. После этого данные становятся доступны для просмотра и/или редактирования в трех интерфейсах: пользовательской ГИС, навигационной ГИС и веб-интерфейсе.
Пользовательская ГИС предназначена для просмотра и анализа результатов мониторинга специалистом-гидрохимиком непосредственно во время рейса. Основой для нее является геоинформационная система Quantum GIS, снабженная дополнительными плагинами.
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
Lat: 53.D70 Long: 106.Э50 1:141643
Рис. 3. Интерфейс навигационной системы
Навигационная ГИС (рис. 3) предназначена для обеспечения безопасного судовождения и представляет собой особый вид информационной системы, обладающей как типично навигационными, так и стандартными ГИС-возможностями.
Отличие от классической навигационной системы заключается в наличии развитых возможностей по импорту данных и редактированию информации «на лету», присущих географическим информационным системам, и гарантирующих своевременное получение актуальной навигационной информации. В данном случае навигационная система не является обособленным узкоспециализированным средством. Реализованный в ней алгоритм обратной связи позволяет как получать пространственную информацию из БД, так и дополнять ее получаемыми с эхолота данными батиметрии, что делает ее дополнительным каналом получения информации об озере Байкал. В отличие от обычных навигационных систем, информация которых со временем устаревает и требует обновления, представленная ГИС со временем станет развиваться и дополняться. После интеграции гидролокатора бокового обзора батиметрические исследования приобретут отдельную ценность.
Навигационная ГИС реализована в виде защищенного ПК с сенсорным экраном; программ-
ной платформой служит открытая ГИС MapWindow GIS, также дополненная необходимыми плагинами.
Формат веб-публикации является третьим интерфейсом корабельной геоинформационной системы. Пример веб-представления из базы данных приведен на рис. 4. В перспективе на основе имеющейся базы данных возможно создание фонда информационных ресурсов, включающего данные о состоянии, использовании и охране оз. Байкал и Иркутского водохранилища. Для реализации веб-представления используется картографический сервер Института геохимии СО РАН. В настоящее время, по причине отсутствия на судне «Исток» спутникового терминала, нет возможности осуществлять потоковую передачу данных напрямую с корабля на сервер ИГХ СО РАН, репликация «корабельной» и «внешней» базы данных осуществляется только после окончания рейса. Результирующие картограммы могут быть представлены в вышестоящие инстанции только после доставки данных в Институт геохимии СО РАН.
В результате исследований установлено, что для оперативного контроля параметров водной среды можно использовать пользовательскую ГИС на судне и в случае возникновения чрезвычайной ситуации сообщить о ней по спутниковому теле-
Рис. 4. Пример веб-представления информации из БД
фону. При внедрении терминала система позволяет формировать веб-картограммы один раз в несколько часов в автоматическом режиме, однако в связи с отсутствием у ФГУ «Востсибрегионвод-хоз» собственного веб-ресурса они доступны для просмотра только в интрасети ИГХ СО РАН.
За 2009-2010 гг. с использованием комплекса проведено 8 маршрутных съемок по озеру Байкал, общее количество точек измерения составило 1464031.
Полученные данные о качестве вод поверхностного слоя озера свидетельствуют о сохранности чистоты вод Байкала в целом. В тоже время выявлены отдельные участки с высокими концентрациями химических элементов, превышающих ПДК. Большее число их расположено в южной части Байкала - это районы расположения Байкальского ЦБК, г. Слюдянки и п. Култук, в северной части озера - район г. Северобайкальска. Особый интерес представляют наблюдения за зоной влияния БЦБК. Так, в 2009 году, по сравнению с предшествующими годами, в зоне деятельности БЦБК выявлено снижение концентраций в поверхностной толще отдельных элементов (сульфатов, нефтепродуктов) до уровня фона, однако с повторным запуском комбината в 2010 г. наблюдалось явное повышение концентраций сульфатов до уровня, втрое превышающего фоновые концентрации. Картограмма распределения сульфат-иона
в районе деятельности Байкальского целлюлозно-бумажного комбината представлена на рис. 5.
В настоящее время работа по созданию ГИС продолжается. Для получения законченного автоматизированного решения необходимо внедрение спутникового терминала и создание веб-сайта ФГУ «Востсибрегионводхоз», на котором можно было бы разместить результаты мониторинга. Однако уже внедренные компоненты позволили повысить надежность системы и оперативность обработки данных.
Кроме того, накопленная за 2009-2010 годы база данных концентраций химических элементов в озере Байкал не только служит для документирования текущего состояния природной среды и выявления аномалий, но также дополняет имеющуюся информацию о гидрохимии вод озера и, соответственно, представляет научную ценность.
Особенностью представленной системы является использование при ее создании исключительно открытых («open source») данных и программных продуктов.
Полученный нами определенный опыт работы с создаваемой ГИС позволяет сделать вывод о состоятельности современных геоинформационных систем как необходимого и достаточного инструмента решения геоэкологических задач.
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
Судно: т/х "Исток"
Измерительный комплекс: "Акватория Байкал-2" Значения (мг/дмЗ):
[0907]. [304] Щ менее 5.5 5.5-7.0 7.0-8 5 8.5-10.0
Рис. 5. Картограмма распределения сульфат-иона в районе деятельности БЦБК, 2010 г.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. О разработке плана мероприятий по совершенствованию государственной системы мониторинга уникальной экосистемы озера Байкал : информ.-аналит. материалы к заседанию межвед. комис. по вопр. охраны оз. Байкал. Иркутск, 2008.
2. Ющук В. А., Иванюта С. А., Соснина И. Г., Минаева Т. В. Аналитический отчет о результатах наблюде-
ний за состоянием каскада Ангарских водохранилищ и озера Байкал за 2008-2009 гг. / ФГУ «Вост-сибрегионводхоз». Иркутск, 2009.
3. Российская Федерация. Федеральный закон об охране озера Байкал № 94-ФЗ от 01.05.1999 [Электронный ресурс] : принят Гос. Думой 2 апр. 1999 г. : одобрен Советом Федер. 22 апр. 1999 г.). - URL : http://www.magicbaikal.ru/ecology/law-baikal.htm (дата обращения : 20.03.2011).
