CC BY
59
© А.А. Филиппова, 2004
УДК 53.072 А.А. Филиппова
ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В ГОРНОПРОМЫШЛЕННОМ РЕГИОНЕ
Семинар №10
Сложность процесса распространения загрязнений приводит в настоящее время к отсутствию единого подхода к его моделированию. Существует множество слабо сочетаемых моделей, описывающих выброс, перенос, оседание примеси в различных природных средах. В данной статье показаны основные принципы построения на базе ГИС комплексной модели распространения загрязнений. Такая «полимодель» позволит объединить разнородные данные и модели на единой географической основе, определить их взаимовлияние; исследовать функционирование, развитие под влиянием человеческой деятельности не только отдельных "компонент природной среды" (атмосфера, гидросфера, биосфера), но и целых пространственных систем (геосистем). Формируемый ЛПР сценарий моделирования позволит задать вариант реализации модели.
Исследования показали [1], что в большинстве пакетов прикладных программ, решающих экологические задачи, ГИС-компоненты используются лишь для отображения результатов модельных расчетов («Гарант-Универсал», «ЭОЛ-2000»,
ЕН1РБ). Традиционный подход показан на рис. 1. Этого недостаточно при современных требованиях к проведению экологического мониторинга, необходимо использовать интерактивную работу с тематическими
Рис. 1. Традиционный подход
картами: осуществлять пространственные
запросы и операции над объектами карты, доступ к БД атрибутивной информации по свойствам объектов и другие.
Развитие геоинформационного моделирования как метода отражения и исследования геосистем на базе технологий ГИС является более перспективным направлением. Под геоинформационным моделированием мы понимаем особый вид моделирования, сочетающий пространственное моде-
Показания датчиков; Формы статистической отчетности; ~ Внешние компьютерные системы
Нормативные документы; Законодательные акты; ~ Справочная информация
Математические методы, модели
Графические модули; Текстовые, табличные редакторы; Формы выходных документов
Методы анализа и оценки, адекватности
Устройства вывода ЭВМ;
СУБД; ■
Внешние компьютерные системы
СБОР ПЕРВИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ
г
АНАЛИЗ, СТРУКТУРИРОВАНИЕ ПЕРВИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ
г
МОДЕЛИРОВАНИЕ
1 г
ОТОБРАЖЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
і
ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ
і
ВЫВОД
лирование с обработкой и анализом нетопографических тематических данных. На рис. 2 область геоинформационного моделирования показана пунктирной линией.
ГИС используется здесь как основа построения «полимодели» необходимой для адекватного отображения сложного процесса (рассмотрение распространения загрязнений с разнык сторон);
Банк моделей и База пространственных объектов позволяют создавать открытые, гибкие, наращиваемые структуры для накопления данных и знаний о предметной области, моделирования и прогнозирования;
Под моделью-процессом будем понимать условный образ реального процесса, создаваемый с помощью взаимосвязанных между собой компьютерных модулей и отображающий структуру и взаимосвязи между компонентами процесса, правила изменения характеристик самого процесса, а также
Рис. 2. Геоинформационный подход
изменения характеристик объектов, участвующих в этом процессе. Моделью-объектом назовем условный образ реального объекта или системы объектов, описанный с помощью взаимосвязанных компьютерных модулей и отображающий структуру, взаимосвязи реального объекта (системы) или его элементов, а также правила изменения его характеристик.
Известно, что использование имитационного моделирования позволяет реализовать динамику экологических процессов, учесть, например, нестационарность выбросов (и таким образом избежать неоправданного завышения значений концентраций и больших штрафов за загрязнение окружающей среды, трат лишних средств на проведение природоохранных мероприятий).
Поэтому в основу геоинформационного моделирования легло создание имитационной модели распространения и накопления загрязнений, построенной путем объединения ГИС-технологий и объектно-ориентированной методологии. Такая модель позволяет учесть нестационарность выбросов вредных веществ, метеоусловий, характер подстилающей поверхности и дает возможность построения карт изменчивости загрязнений в пространстве и времени.
Структура имитационной модели показана на рис. 3.
Внутренняя модель здесь обеспечивает взаимодействие моделей-процессов (соответствующих этапам процесса распространения загрязнений); внешняя - определяет правила взаимодействия (интерфейс) с внешним миром, осуществляет контроль и управление обработкой данных.
При создании внутренней модели были использованы и доработаны существующие модели и методы, используемые при расчете загрязнения атмосферы (например, образование выброса рассматривается как нестационарный процесс, предполагающий возможное непостоянство мощности источника и исходного состава выброса за заданный интервал времени). При этом использована такая экспертная информация, как временной график выброса. В основу модели рассеяния положена нормативная методика ОНД-86 [2].
Разработка модели проведена с использованием объектно-ориентированной методологии, которая позволила реализовать свойства открытости, масштабируемости, совместимости с другими моделями.
Таким образом, понятно, что выбор конкретных моделей-процессов не является догмой, одни модели-модули можно заменить на другие, более подходящие для использования в заданном регионе и заданных
Рис. 3. Структура имитационной модели распространения загрязнений
условиях. Модульная структура имитационной модели это позволяет.
Реализация имитационной модели распространения загрязнений была проведена в ГИС ЛгеУ1еш 3.1. [3]. При этом были:
1. использованы и доработаны стандартные функции географического, пространственного анализа данных.
2. сформированы электронные карты горнопромышленного региона и выделены дополнительные тематические слои, необходимые для создания ГИС модели загрязнения («Зоны загрязнения», «Зоны оседания», «Точечные источники» и другие).
Для создания топологической легенды карты разработаны необходимые модули расширений. Апробация геоин-формационных методов и моделей проведена с использованием данных о загрязнении атмосферы Междуреченского угледобывающего региона.
Источники атрибутивной информации, использованные при создании карт, - это разделы «Экология» проектной документации предприятий региона (предельно допустимые выбросы и предельно допустимые сбросы, лимиты размещения отходов), экологические паспорта предприятий, а также различные формы статистической отчетности.
Пример работы с пространственными данными показан на рис. 4.
Важно отметить, что имитационная модель на базе ГИС-технологий позволяет отобразить изменение загрязнений в пространстве и времени (т.е. у ЁПР появляется возможность наглядно оценить развитие экологической ситуации).
На базе созданной имитационной модели распространения загрязнений предполагается в дальнейшем решать задачи анализа и контроля сети мониторинга (с
Рис. 4. Работа с пространственными данными при моделировании распространения загрязнений
сокращением количества постов наблюдений). Кроме того, поля концентраций примеси, наложенные на карту поверхности, могут быть использованы:
- при проектировании природоохранных мероприятий (планировании границ сани-
тарно-защитных зон, территорий, участков лесопосадок и т.д.).
- для анализа взаимосвязей между различными факторами производства и состоянием окружающей среды.
Предложенный геоинформационный подход может быть применим при моделировании разнообразных процессов, связанных с изменением пространственных данных во времени.
1. Шек В.М., Филиппова А.А. Моделирование экологических аспектов горного предприятия: практика и перспективы. // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ. -2002. - №2. - С. 168-171.
2. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
выбросах предприятий. ОНД - 86 - Л.: Гидрометео-издат, 1987.
3. Филиппова А.А. Геоинформационное моделирование распространения загрязнений в горнопромышленном регионе. Материалы диссертации. -М.: МГГУ, 2003.
— Коротко об авторах
Филиппова А.А. - кандидат технических наук, Московский государственный горный университет.
