Мониторинг атмосферы с применением электронной картографической системы Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 658.567

А.В. Михайлов, канд. тех. наук, доц. АлтГТУ, г. Барнаул, E-mail: [email protected]; А.А. Мельберт, д-р тех. наук, проф. АлтГТУ, г. Барнау; М.Г. Бингер, аспирант АлтГТУ; В.И. Егоров, аспирант АлтГТУ, E-mail: [email protected]

МОНИТОРИНГ АТМОСФЕРЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОННОЙ КАРТОГРАФИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

В данной статье рассматриваются результаты мониторинга атмосферы г. Бийска с помощью электронных карт и модернизированного программного комплекса.

Ключевые слова: мониторинг, атмосфера, карта, выброс, загрязняющие вещества.

Прогноз, состояние и оценка состояния воздушного бассейна урбанизированной территории требуют привлечения и комплексного анализа разнообразной информации как природного, так и социально-экономического происхождения. Для этого необходима организация системы автоматизированного сбора, обработки и анализа природной информации, построенной на базе современных ЭВМ и автоматических устройствах ввода-вывода информации. Для создания модели состояния атмосферы служат геоинформационные системы (ГИС) - компьютерные системы сбора, хранения, выборки, анализа и отображения пространственных данных. Создание автоматизированных систем природной информации входит в круг задач геоэкоинформатики - научного направления, разрабатывающего теорию, методы и технологию информационного обеспечения и автоматизации биосферных и геоэкологических исследований в целях рационализации природопользования и охраны окружающей среды. В задачи геоэкоинформатики входит также разработка методов формализации геоэкологических данных. Возможность оперативной обработки больших объемов разнообразной информации, включая картографическую, имеет большое значение при оценке экологического состояния региона, а также для территориального планирования и управления ресурсами окружающей среды [1].

Учитывая мощность современных вычислительных средств сегодня можно с уверенностью говорить о реальном создании эффективных компьютерных систем мониторинга атмосферного воздуха. Располагая возможностью хранить и обрабатывать данные об интенсивности и месте расположения источников выброса в картографических координатах, рельефе местности, архитектурной застройке города, метеоусловиях, можно определить концентрацию поллютантов в любой точке окружающей среды.

По сравнению с инструментальными методами контроля атмосферы электронная картографическая системы мониторинга позволяет решить более широкий круг задач, связанных с управлением качеством атмосферного воздуха. Например, оперативно определить вклад того или иного источника выбросов в уровень загрязнения приземного воздуха в заданной точке. Обладая высокой точностью расчета, подобная система может вытеснить сложную, разветвленную систему инструментального мониторинга, которая окажется необходимой и достаточной для контроля и сопоставления данных компьютерных расчетов.

Подобные компьютерные модели состояния атмосферы (компьютерные системы мониторинга загрязнений атмосферного воздуха) получили большое распространение в Западной Европе. Такая система введена в спектр средств управления качеством городского воздуха уже в начале 90-х гг. в муниципальном комитете защиты окружающей среды Шеффилда (Великобритания).

В настоящее время использование ГИС открывает принципиально новые возможности анализа экологического состояния урбанизированных территорий.

Ключевую роль в ГИС играет картографический метод. Современным электронным картам присущи следующие функции:

1. Коммуникативная - хранение и передача пространственной информации;

2. Оперативная - быстрое решение поставленных практических задач при посредстве карт;

3. Познавательная - исследование пространственных особенностей взаимодействия природных и общественных систем.

Вторая важная составляющая ГИС - электронная база данных.

Современные ГИС должны отвечать следующим требованиям:

1. Должны обрабатывать массивов покомпонентной разнообразной пространственно-координированной информации.

2) поддерживать базы данных для широкого класса географических объектов;

3) содержать диалоговый режим работы пользователя;

4) иметь гибкую конфигурацию системы для быстрой настройки системы на решение разнообразных задач;

5) учитывать множество экологических факторов.

Геоинформационным системам свойственны типичные

для информационных технологий стадии обработки информации: сбор первичных данных, ввод и хранение данных, анализ данных, анализ сценариев и принятие оптимальных решений. Данные стадии являются общими и повторяются при создании конкретных ГИС, различаясь в деталях, связанных с целями и задачами ГИС, а также с техническими возможностями системы.

Оперативное решение поставленных задач с помощью ГИС зависит от структуры данных, заложенного алгоритма принятия решений и методики оценки состояния окружающей среды. В связи с этим необходимо учитывать следующие особенности:

1. Качество окружающей среды может быть оценено как совокупность свойств окружающей среды.

2. Должны использоваться количественные и качественные показатели.

3. Показатели качества рассматриваются с точки зрения потребностей большей части членов общества, что означает субъективный взгляд к требованиям, предъявляемым к качеству окружающей среды. В связи с чем следует ориентироваться на усредненные значения.

4. Разные шкалы абсолютных показателей должны быть трансформируемы в общую шкалу [2].

5. Любое свойство качества определяется двумя числовыми параметрами: относительным показателем и значимостью (весом). Относительными показателями являются концентрации загрязняющих веществ, уровни физических полей, нормированные по ПДК, ПДУ. Вес показателя учитываются на всех иерархических уровнях. Их роль выполняют: период осреднения, класс опасности поллютанта, относительная значимость компонента окружающей среды.

При исследовании загрязнения воздушного бассейна на большой территории понятие источника загрязнения может приобретать различный смысл:

- конкретное технологическое оборудование;

- в качестве источника может рассматриваться отдельный цех (подразделение);

- предприятие в целом;

- территории, на которых сосредоточены предприятия.

В зависимости от масштаба работ методы мониторинга и картографирования могут подразумевать различные концепции источника загрязнения.

В исследованиях, проводимых нашим коллективом, широко используется программный комплекс «ЭРА» («Логос-Плюс» г. Новосибирск). В основу ПК «ЭРА» положена методика расчета ОНД-86 и типичные для подобных программ элементы отображения картографической информации. Уровни загрязнения отображаются на карте с помощью изолиний. К числу достоинств такого способа отображения информации относится его простота и доступность, что позволяет использовать его в методах количественных обработки, преобразования и анализа картографических изображений: определения характеристик заданных контрольных точек и расчета статистических зависимостей и эмпирических уравнений, сложения и вычитания изолиний, разложения на составляющие и др. Поэтому с помощью данного способа могут передаваться и явления, по своему содержанию неподходящие или малоподходящие для данного способа. Для количественной характеристики явлений, имеющих ограниченное по площади распространение (например, источники выбросов и сбросов), могут быть использованы псевдоизолинии. Псевдоизолинии как бы распространяют дискретные явления (например, источники выбросов и сбросов) на всю площадь картографирования и таким образом приводят их к виду, удобному для сопоставления с другими количественными характеристиками.

Однако при исследованиях загрязнения на больших территориях применение изолиний не всегда создает наглядную картину для изучения обстановки. В связи с этим нами был разработан программный пакет, представляющий собой набор из трех программ, предназначенных для выполнения расчетов загрязнения атмосферы. Пакет включает в себя объединенные под единой оболочкой-меню компоненты Surface, I.Z.A. и S.I.Z.A. Приложение разработано для аппаратной платформы x86, работающей под управлением операционной системы семейства Microsoft Windows XP/Vista/7, для работы также необходимо наличие установленных пакетов Microsoft Office 2007 и Microsoft.NET Framework 2.0

Программа Surface предназначена для изображения суммарной концентрации загрязнения вредными примесями по площади города в виде трехмерной поверхности с проекция

ми, обеспечивающая большую наглядность результатов по сравнению с изолиниями (рис. 2), строящихся комплексом «ЭРА».

Рис. 1. Главная форма приложения.

В качестве входных данных используется таблицы результатов, генерируемые расчетным блоком «ПК ЭРА». Таблицы представляют собой текстовый файл со значениями суммарных концентраций в узлах расчетной сетки.

Выходными данными является книга Microsoft Excel, содержащая требуемое графическое представление, которое в дальнейшем можно вставить в документ Microsoft Word или вывести на печать.

Алгоритм работы программы включает в себя:

• Разбор структуры входного файла;

• Извлечение данных о размере расчетной сетки, типе примесей, названии местности;

• Извлечение данных суммарной концентрации загрязнения в узлах сетки;

• Перевод извлеченных данных в формат, соответствующий концепции COM (Component Object Model);

• Передача данных в Excel посредством технологии COM;

• Построение в Excel трехмерной поверхности с заданными параметрами с помощью Chart Wizard;

Метод считывания данных суммарной концентрации является эвристическим и не привязан жестко к структуре файла, что гарантирует корректное считывание при незначительном изменении структуры выходных данных в более новых версиях «ПК ЭРА».

Рис. 2. Содержание в воздушном бассейне г. Бийске золы Кузнецкого угля

Рис. 3. Трехмерное изображение содержания золы Кузнецкого угля над территорией г. Бийска

5

о о о о о о о о о о о о о

гт ГП пп пп гп гп ГП ГП гп гп гп гп гп

00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

го ч- ІЛ Г' 00 о о т—1 гЧ т—1 Гч| т—1 гп т—1

Координаты У, м

Рис. 4. Изменение концентрации в воздухе золы Кузнецкого угля поперек г. Бийска

Координаты X, м

Рис. 5. Изменение концентрации в воздухе золы Кузнецкого угля вдоль г. Бийска

Содержимое файла представляет собой таблицу значений основан на считывании из входного файла значений концентраций в узлах сетки с указанием опасной скорости,

направления вецэа и основных вкладчиков. Алгоритм работы С У " суммарной концентрации примесей в узлах

расчетной сетки и последующем расчете ИЗА по формулам:

, где

Се*

• значение суммарной концентрации примеси в i-том узле расчетной сетки,

М

/<

ПДК максимальное разовое,

■ Значение ИЗА в і-том узле расчетной сетки. №

Ц = ±QOW ^ №1)

t=tf

-ті

t=$

где - Суммарный индекс загрязнения атмосферы по c-тому веществу,

N _

Ctfj.

- ПДК максимальное разовое,

г - Коэффициент, соответствующий классу опасности вещества. Определяется по таблице 1.

Таблица 1

Соответствие коэффициента Р классу опасности вещества

Класс опасности вещества Коэффициент P

1, чрезвычайно опасное 1,5

2, высоко опасное 1,З

3, умерено опасное 1,0

4, малоопасное 0,85

где N - Количество узлов расчетной сетки,

ГІ

'- Коэффициент, показывающий процентное содержание значений в пределах (0;1) среди ^

Н

' 1 - Коэффициент, показывающий процентное содержание значений в пределах [1;4) среди ^

I*

' "■ - Коэффициент, показывающий процентное содер-

жание значений в пределах [4;16)

среди

Ґ

' -■ - Коэффициент, показывающий процентное содержание значений в пределах [16;™) среди

В качестве результатов расчета программа выводит на эк-

Л jUi ]

ран или в книгу Microsoft Excel значения ®* , индекса СИЗА - суммарный индекс загрязнения атмосферы. В качестве входных данных также используются файлы с результатами ПК «ЭРА», но алгоритм расчета индекса СИЗА несколько отличается:

ІГ!

16

- Количество узлов расчетной сетки,

Се*

Значение суммарной концентрации примеси в i-том узле расчетной сетки,

Библиографический список

В качестве результата работы программа выводит на экран или в Microsoft Excel значение /С

В основе программного комплекса «ЭРА» лежит методика ОНД-86, которая предусматривает выполнение расчетов и построение изолиний концентрации загрязняющих веществ на основе решения полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии, с введением ряда упрощений в виде коэффициентов и степенных зависимостей. Однако методика ОНД-86 содержит ряд допущений, которые необходимо учитывать при ее использовании. Коэффициент А, учитывающий климатические особенности, принимается единым для крупных регионов, границы которых увязаны не с климатическим районированием, а с политико-административным делением. Сходимость зон с разными значениями коэффициента А с районированием по величине потенциала загрязнения атмосферы [3] практически отсутствует.

Влияние рельефа на перенос загрязняющих веществ должен учитывать «коэффициент рельефа» h. Однако при перепадах до 50 м/км он принимается равным единице, что на практике означает исключение из расчета влияния городской застройки. В последних разработках программных продуктов, реализующих методику, предусматривается учет застройки, что резко повышает требования к возможностям используемой вычислительной техники [1]. Кроме того, поскольку методика ОНД-86 была разработана для одной конкретной задачи: расчета ПДВ, исходя из максимально возможных приземных концентраций при наихудших условиях рассеяния 5% повторяемости, в ней не предусмотрен расчет полей загрязнения при конкретных метеоусловиях.

Методика ОНД-86, будучи единственной официально сертифицированной в России, в то же время оказывается одной из многих методик математического моделирования переноса загрязняющих веществ в атмосфере. Так, в США для аналогичных целей применяются многочисленные модификации уравнения турбулентной диффузии Гаусса; в России разработаны как более простые, так и более сложные методики, например гидротермодинамическая модель А.С. Гаврилова [1].

Внедрение более усовершенствованных расчетных методик сдерживается в связи с необходимостью использования громоздких цифровых моделей местности, в которых элементы застройки рассматривались бы как формы рельефа с соответствующими морфометрическими характеристиками. Однако многократно возросшие за последние годы достижения вычислительной техники уже сейчас делают возможным постановку и решение подобных задач.

1. Стурман, В.И. Экологическое картографирование: учебное пособие. - М.: Аспект Пресс, 2003.

2. Азгальдов, Г.Г. О квалиметрии / Г.Г. Азгальдов, Э.П. Райхман; под ред. А.В. Гличева. - М.: Издательство стандартов, 1973.

3. Безуглая, Э.Ю. Метеорологический потенциал и климатические особенности загрязнения воздуха городов. - Л.: Гидрометеоиздат,1980.

Статья поступила в редакцию 08.10.10