Научная статья на тему 'ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГРАФОВ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ В ЭКОЛОГИИ'

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГРАФОВ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ В ЭКОЛОГИИ Текст научной статьи по специальности «Математика»

CC BY
101
11
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ГРАФЫ / ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ / ЭКОЛОГИЯ / СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ / ЗОНДИРОВАНИЕ / МОДЕЛИ

Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Лозоватский Илья Маркович

Современные геоинформационные системы используются в различных сферах, начиная от сельского хозяйства и заканчивая планированием туристических и иных маршрутов. Их роль и возможности использования особенно высоки в природоохранных мероприятиях и соблюдении экологической стабильности в стране. В этой сфере ГИС позволяют решать ряд важнейших проблем в области загрязнения природоохранных участков, возникновения пожаров, защиты их от незаконных вырубок лесов. В статье рассмотрены возможности использования графов, как универсального средства моделирования геоинформационных систем в экологии. Цель статьи заключается в том, чтобы определить суть геоинформационных систем в экологии и возможности использования графов в их моделировании.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по математике , автор научной работы — Лозоватский Илья Маркович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE USE OF GRAPHS FOR MODELING GEOINFORMATION SYSTEMS IN ECOLOGY

Modern geoinformation systems are used in various fields, ranging from agriculture to planning tourist and other routes. Their role and possibilities of use are particularly high in environmental protection measures and compliance with environmental stability in the country. In this area, GIS can solve a number of important problems in the field of pollution of nature conservation areas, the occurrence of fires, and their protection from illegal deforestation. The article considers the possibilities of using graphs as a universal means of modeling geoinformation systems in ecology The purpose of the article is to determine the essence of geoinformation systems in ecology and the possibility of using graphs in their modeling.

Текст научной работы на тему «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГРАФОВ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ В ЭКОЛОГИИ»

Научная статья Original article УДК 681.51

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГРАФОВ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ В ЭКОЛОГИИ

THE USE OF GRAPHS FOR MODELING GEOINFORMATION SYSTEMS IN ECOLOGY Лозоватский Илья Маркович, Кафедра компьютерных технологий и программной инженерии (Кафедра 43) ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» (ГУАП), ассистент, ilozovatsky@mail.ru, +7-921-7468893

Ilya Markovich Lozovatsky, Department of Computer Technology and Software Engineering (Department 43), St. Petersburg State University of Aerospace Instrumentation (GUAP), Assistant, ilozovatsky@mail.ru , +7-921-7468893

Аннотация. Современные геоинформационные системы используются в различных сферах, начиная от сельского хозяйства и заканчивая планированием туристических и иных маршрутов. Их роль и возможности использования особенно высоки в природоохранных мероприятиях и соблюдении экологической стабильности в стране. В этой сфере ГИС позволяют решать ряд важнейших проблем в области загрязнения природоохранных участков, возникновения пожаров, защиты их от незаконных вырубок лесов. В статье рассмотрены возможности

использования графов, как универсального средства моделирования геоинформационных систем в экологии.

Цель статьи заключается в том, чтобы определить суть геоинформационных систем в экологии и возможности использования графов в их моделировании.

Annotation. Modern geoinformation systems are used in various fields, ranging from agriculture to planning tourist and other routes. Their role and possibilities of use are particularly high in environmental protection measures and compliance with environmental stability in the country. In this area, GIS can solve a number of important problems in the field of pollution of nature conservation areas, the occurrence of fires, and their protection from illegal deforestation. The article considers the possibilities of using graphs as a universal means of modeling geoinformation systems in ecology

The purpose of the article is to determine the essence of geoinformation systems in ecology and the possibility of using graphs in their modeling.

Ключевые слова: графы, геоинформационные системы, экология, спутниковые системы, зондирование, модели

Keywords: graphs, geoinformation systems, ecology, satellite systems, sensing, models

Решение экологических проблем не может не сопровождаться мониторингом нарушений и стихийных бедствий, наносящих ущерб природе страны. С этой целью используются геоинформационные системы (ГИС), нацеленные на оценку экологического состояния территорий, разработку мероприятий по охране природы [1].

Наиболее распространёнными являются ГИС, определяющие состояние лесополос, которые позволяют выявлять незаконную вырубку и проводить мониторинг пожаров лесных насаждений. Помимо приведённой выше цели,

ГИС в экологии решает и набор других задач, состав которых приведен на рисунке 1.

с \

Зонирование особо охраняемых природных территорий /

( Предоставление справочной информации о территории ООПТ, создание \

условий для регулируемого туризма в природных условиях

с Анализ и обработка данных мониторинга V \

с Формирование банков и баз данных на основе фактических наблюдений \ /

Формирование баз и банков данных по флоре и фауне /

с Анализ данных о благоустройстве различных участков особо охраняемых ^

природных территорий /

Рисунок 1- Задачи ГИС в экологии Источник: составлено автором

Для решения данных задач ГИС используют разные информационные ресурсы. Так, ряд ГСИ выстраиваются на цифровом космическом мониторинге, который предназначен для контроля природопользования и реализуется при помощи дистанционного зондирования земельных участков из космоса [2].

Технология зондирования представляет собой наблюдение за поверхностью земли, наземными космическими средствами, которые оснащены необходимыми типами съемочной аппаратуры, настроены на соответствующий диапазон волн, и позволяют получать данные от доли микрометров до метров [3].

При использовании зондирования составляются экологические карты, способствующие прогнозированию фронтов, ураганов, получению карт крупных стихийных бедствий. Аналитический аппарат, в основе которого выстраивают свои возможности геоинформационные системы (ГИС)

Международный журнал прикладных наук и технологий «Integral» №4/2022

включает в себя дискретные и непрерывные методы. В составе этих методов определенное место занимают графы [4].

В экологическом мониторинге использование дистанционного зондирования включает следующие направления (рисунок 2).

поиск нужных космических снимков, сделанных в определенном спектральном диапазоне

привязка космических снимков к топографическим картам рассматриваемой местности

картографирование динамики изменения природной среды

систематическое картографическое слежение за состоянием природной среды и ее изменениям

Рисунок 2- Возможности дистанционного зондирования Источник: составлено автором

Получаемая путем дистанционного зондирования информация при использовании ГИС обеспечивает оценку больших площадей, среды обитания человека, растений и животных как единую систему. Одним из элементов зондирования является многозональная съемка, имеющая узкий спектральный диапазон. При этом универсальным инструментом визуализации и анализа и синтеза геоинформационных моделей выступают именно графы [5]. В случае решения задач мониторинга экологической обстановки сложность графовых моделей увеличивается. Используются алгоритмы специфического -темпорального графа. Поведение их описывается функцией времени. Алгоритм построения приведен в таблице 1.

Таблица 1- Алгоритм построения специфического - темпорального

графа

Этап Действие Результат

Шаг 1. Распределение объектов и отношений на графе по типам Построение списка атрибутов для каждого сформированного типа объекта

Шаг 2. Построение модели графов по карте Предварительный контроль времени модификации карты

Шаг 3. Геометрический анализ графа Происходит отсекание неиспользуемых частей графа

Шаг 4. Загружаются нужные атрибуты элементов графа Формирование итогового списка атрибутов

Шаг 5. Анализ графа Анализ и формирование результатов

Источник: составлено автором

Комментируя этапы построения графов, приведенные в таблице 1 стоит подчеркнуть, что при максимальной точности е, близлежащие вершины будут являться совпадающими.

Для сокращения времени определения точек контакта узлы графа перемещаются в «В-дерево», а ребра - в дерево».

Далее в граф должны попадать только элементы, которые попали внутрь сформированной области, после чего в граф включаются элементы типа «сплошные вершины» в качестве узлов графа, после чего определяются «точечные объекты», «линии», «линии с присоединениями», «сложные объекты», «переключатели», «соединительные линии» [6].

На следующем этапе граф разбивается на части по типам «барьеры», после чего производится классификация вершин графа по попаданию в

элементы типа «регион». Итогом данного алгоритма на дешифрованной карте являются «маркеры», «полочки», «повороты» и «ассоциации».

Типичное использование приведенного метода в экологическом мониторинге заключается в построении графа сети, выделении в нем компонентов, удалении несущественных частей графа и вызове данного метода, что позволяет дешифровать полученные из космоса фотографии, разработав карту конкретной территории. Использование графов широко применяется для решения различных аналитических задач, например, в выявлении негативных изменений в природных ландшафтах [7].

Актуальность использования данного метода определяет информативность получаемых изображений из космоса, а также невысокая стоимость данных технологий. К тому же космические снимки дают возможность получения информации о лесных участках, включая труднодоступные территории, что позволяет решать ряд экологических вопросов, состав которых приведен на рисунке 3.

Рисунок 3- Экологические вопросы, решаемые при использовании ГИС Источник: составлено автором

Так, например, приведённый на рисунке 4 снимок, позволил сделать вывод, что на участке нефтедобычи, расположенном на Крайнем Севере РФ имеет место задымление, что позволило принять оперативные меры по его устранению.

Рисунок 4- Снимок из космоса, дешифрованный посредством ГИС Источник: [6]

Однако не только экологический мониторинг проводится посредством данных ГИС, но и наблюдение за антропогенным воздействием на окружающую среду, что дает возможность определить динамику природных процессов, включая изменение ландшафтов [8].

Именно эти ГИС дают возможность преобразовывать снимки в электронные карты, выделяя на них тематические, экологические и другие источники информации, применяя методологию графов.

К тому же графы позволяют выявлять тенденции и взаимосвязи в ГИС, происходящие на конкретных земельных участках, а также содействующие проведению пространственного анализа поверхности непосредственных участков земли.

Стоит отметить, что в последнее время все более активно используются материалы космических съемок в метровом диапазоне, поскольку именно они обладают высоким энергетическим пространственным решением. Для этого используются космические спутники с названиями TERRASARX, ЛШ8(РЛЬ8ЛЯ) [9].

Методологической основой обработки информации в ГИС выступают графы, объединяющие в себе процесс сбора информации, моделирование, обновление обработки и формирования документов.

Проблема мониторинга в последние годы приобретает все более глобальный характер, поскольку имеет место ухудшение экологической обстановки, наличие негативных природных явлений, загрязнение и уничтожение природных рекреаций [10].

Таким образом, в статье рассмотрены возможности использования графов в ГИС дистанционного зондирования в экологии. Для этого используются различные по способу съемки, на основании которых формируются экологические карты, дешифровка которых проводится посредством использования графов. Именно графы ускоряют и делают максимально точными построение карт, что доказывает активность использования данных инструментов в построении ГИС, используемых в экологическом мониторинг и проведении природоохранных мероприятий.

Литература:

1. Сегал А.М., Арустамов Эдуард Александрович, Балакин Виктор Алексеевич Оценка экологического состояния территории и мониторинг окружающей среды с использованием ГИС-технологий // Вестник евразийской науки. 2018. №2.- 332 с.

2. Хабаров Д.А. Анализ современных технологий дистанционного зондирования Земли // Московский экономический журнал. 2019. №1. -112 с.

3. . Чандра А.М., Гош С.К. Дистанционное зондирование и географические информационные системы / Москва: Техносфера, 2008. - 312 с.

4. Берштейн Л.С. Использование нечетких темпоральных графов для моделирования в ГИС // Известия ЮФУ. Технические науки. 2012. №1. URL: https://cyberleninka.ra/article/n/ispolzovanie-nechetkih-temporalnyh-grafov-dlya-modelirovaniya-v-gis (дата обращения: 11.09.2022).

5. Розенберг И.Н. Геоинформационное моделирование как фундаментальный метод познания // ПНиО. 2016. №3 - с. 21

6. Афанасьев М.Л. Использование материалов космических съемок с целью картографирования в ГИС-пакете ArcGIS // Огарёв-Online. 2015. №24 С. 65

7. Никитин А. И., Абрамов М. К. Использование системы ГИС в экологии // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2019. №. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ispolzovanie-sistemy-gis-v-ekologii (дата обращения: 13.10.2022)

8. Программы для ГИС: современное программное обеспечение для GIS [Электронный ресурс]. - URL: https://www.zwsoft.ra/stati/programmy-dlya-gis-sovremennoe--programmnoe-obespechenie-dlya-gis - (дата обращения: 18.09.2022).

9. Что такое ГИС? [Электронный ресурс].- URL: https://www.esri-cis.ru/concept_arkgisa/press/whatgis.php - (дата обращения: 20.09.2022).

10. Геоинформационные системы в экологии [Электронный ресурс]. - URL: https://cyberpedia.su/16x3120.html - (дата обращения: 22.03.2019).

Literature:

1. Segal A.M., Arustamov Eduard Aleksandrovich, Balakin Viktor Alekseevich Evaluation of the ecological state of the territory and environmental monitoring

using GIS technologies // Bulletin of the Eurasian Science. 2018. No. 2.- 332 P-

2. Khabarov D.A. Analysis of modern technologies for remote sensing of the Earth // Moscow Economic Journal. 2019. No. 1. - 112 p.

3. . Chandra A.M., Ghosh S.K. Remote sensing and geographic information systems / Moscow: Technosphere, 2008. - 312 p.

4. Bershtein L.S. Using fuzzy temporal graphs for modeling in GIS // Izvestiya SFU. Technical science. 2012. No. 1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n7ispolzovanie-nechetkih-temporalnyh-grafov-dlya-modelirovaniya-v-gis (date of access: 09/11/2022).

5. Rozenberg I.N. Geoinformation modeling as a fundamental method of cognition // PNiO. 2016. No. 3 - p. 21

6. Afanasiev M.L. Use of satellite imagery materials for the purpose of mapping in the ArcGIS GIS package // Ogaryov-Online. 2015. No. 24 P. 65

7. Nikitin A. I., Abramov M. K. Use of the GIS system in ecology // Actual problems of aviation and cosmonautics. 2019. no. URL: https://cyberleninka.ru/article/n7ispolzovanie-sistemy-gis-v-ekologii (date of access: 10/13/2022)

8. Programs for GIS: modern software for GIS [Electronic resource]. - URL: https://www.zwsoft.ru/stati/programmy-dlya-gis-sovremennoe--programmnoe-obespechenie-dlya-gis - (date of access: 09/18/2022).

9. What is a GIS? [Electronic resource].- URL: https://www.esri-cis.ru/concept_arkgisa/press/whatgis.php - (date of access: 20.09.2022).

10. Geoinformation systems in ecology [Electronic resource]. - URL: https://cyberpedia.su/16x3120.html - (date of access: 03/22/2019).

© Лозоватский И.М., 2022 Международный журнал прикладных наук и технологий

"Integral" №4/2022

Для цитирования: Лозоватский И.М. Использование графов для моделирования

геоинформационных систем в экологии // Международный журнал прикладных наук и

технологий "Integral" №4/2022

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.