ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ИНФОРМАЦИОННОИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

УДК 004.94:[528.06+504.064]

Е. С. Сулоева, Е. Н. Жданова

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Сулоева Е. С.- канд. техн. наук, доц. каф. «Информационно-измерительные системы и технологии» тел.: (812) 234-93-93, e-mail: [email protected]; Жданова Е. Н. - канд. техн. наук, ассистент кафедры «Информационно-измерительные системы и технологии» тел.: (812) 234-93-93, e-mail: [email protected] (СПбГЭТУ «ЛЭТИ»)

В статье рассматривается вопрос создания информационно-измерительной системы для мониторинга выбросов парниковых газов и прогнозирования распространения загрязняющих веществ при трансграничном переносе. Обосновывается целесообразность применения геоинформационной технологии для работы с большим объемом разнородных данных, содержащих атрибутивную информацию о пространственных объектах. Для систематизации кортежа априорных знаний формируется база геоданных, содержащая в себе результаты измерений и показатели выбросов, характеристики природных и техногенных объектов. Отображение результата работы геоинформационной системы показано на примере Калининградской области.

Ключевые слова: информационно-измерительная система, геоинформационная технология, ГИС, нормированная шкала, пространственные данные, экология, парниковые газы, пространственные данные.

Глобальное потепление является не только следствием активности солнца, но происходит также из-за увеличения выбросов в атмосферу парниковых газов, главным компонентом которых является CO2. Циркуляция углерода в рамках системы суша^атмосфера^океан способна частично выбрасывать и поглощать его значения, формируя, таким образом, карбоновый баланс C = 0. Начиная с индустриальной эпохи, стремительно увеличивается количество техногенных объектов, выбросы от деятельности человека превалируют над возможностью поглощения, оставляя так называемый карбоновый след [1]. Этот показатель C Ф 0 необходимо уменьшать [2], чтобы поддерживать углеродный баланс, что отмечено в разрабатываемой Стратегии долгосрочного

© Сулоева Е. С., Жданова Е. Н., 2021

ВЕСТНИК ТОГУ. 2021 № 4 (63)

13Г

ВЕСТНИК ТОГУ. 2021. № 4 (63)

развития РФ с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 года [3]. Ее базовый сценарий включает в себя достижение индикаторов по уровню СО2, в том числе, за счет расширения площади лесных насажденийи охра-ныуже существующих массивов от вырубки. Столь большое внимание к лесам обусловлено тем, что они являются лучшими с точки зрения депонирования углекислого газа [4]. В свою очередь в качестве основного эмиттера углерода выступают антропогенные выбросы и промышленные процессы, также влияние оказывают транспорт, сжигание топлива, в том числе тепло и электроэнергетика.

Объединение /-го количества показателей из источников и абсорбции поглотителями парниковых газов, дают количественную оценку выбросов

/

с*=Хс

объем которых необходимо снижать. Существующая система оценки антропогенных выбросов, сформированная на базе обобщенных показателей загрязнения С/, имеет существенный недостаток, который состоит в том, что оценки выбросов всех парниковых газов (по видам газов и категориям источников) не разделяют показатели поглотителей парниковых газов С* и данные о выбросах С конкретными организациями [5]. Это затрудняет выработку эффективных мер по сокращениюобъемов выбросов парниковых газов по секторам экономики, а также препятствует их реализации с точки зрения определения целевых показателей для уменьшения объемов выбросов.

Для устранения указанного недостатка система оценки должна быть дополнена мониторингом, а также согласно [5] отчетностью и проверкой объемов выбросов парниковых газов на уровне организаций несущих основную ответственность за выбросы загрязняющих веществ. Обобщенная система такого вида должна использовать измерительную информацию от систем автоматического контроля выбросов,которыми в ближайшее время будут оснащены объекты, оказывающие негативное воздействие на окружающую среду, 1-ой категории [6].

Результаты измерения {gi} и показатели выбросов {рк }, лежащие в основе информационно-измерительной системы (ИИС), представляют собой данные, на основании которых можно осуществить:

- расчет количественной оценки выбросов от эмиттеров С (gl, рк );

- возможность добавления данных по депонированию парниковых газов в зависимости от имеющейся априорной информацииС*(^,р^) ;

- учет взаимного влияния при расчете интегральной оценки выбросов в качестве коэффициента корреляции Ь;

- моделирование углеродного следа в режиме реального времени;

- прогнозирование переноса трансграничного загрязнения воздуха на большие расстояния;

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ВЕСТНИК ТОГУ. 2021. № 4 (63)

- визуальное отображение полученных результатов на карте с топографической привязкой;

- формирование подробного отчета с возможностью рассмотрения показателей всех парниковых газов по отдельности с привязкой к географическим координатам.

Носителем информации, обладающей всеми указанными характеристиками, выступает таксон Оп, под которым понимается территориальный объект или единица с назначениемкортежа параметров природного или техногенного характера{Я1,Я2,Я3,..Дп}.

Построение ИИС базируется на динамично развивающихся таксонах, информацию о которых необходимо предоставлять определенному кругу лиц. При этом обязательной является информация о пространственном поло-жениикарбонового объекта, для которогоформируется его цифровая модель, с возможностью изменения, как со стороны человека, так и системы. Для этой задачи целесообразно использовать геоинформационные системы (ГИС), которые позволяют формировать персональные базы геоданных, что поможет варьировать необходимый кортеж информации для изучения реальной обстановки.

Разработка инфраструктуры пространственных данных таксонов позволит сформировать систему сбора, обработки, хранения и предоставления пространственных данных лицам, принимающим решения.

Применение геоинформационных систем дает возможность ввести ряд правил по описанию и отображению входных параметров, помогает проводить пространственный анализ данных, преобразовывать группы таксонов

ю

{Оп }, моделировать комплексные пространственные отношения Оп ^ Си+1, выявлять закономерности.

Мониторинг и прогнозирование состояния окружающей среды для обеспечения ее экологической безопасности по сокращению выбросов парниковых газов являются сложной многофакторной задачей, работающей с большим массивом пространственных данных. Параметры геотаксонов в ряде случаев разнородны избыточны Оп = {Я15Я2,Я3,..Дп,Яп+1,...Дт}, поэтому требуется исключение из рассмотрения при помощи методов системного анализа априорных знаний, которые формируют основные критерии и значимые па-раметрыобщим количеством п.

Сокращение параметров геотаксонов может повлиять на правильность нахождения обобщенной оценки состояния природно-техногенных объектов в рамках мониторинга. Достоверность комплексной оценки [7] определяется посредством вероятностной модели

п }, })] = ®на (юС} ^ (рк )}) + ©на (Ь[С}, С;+1]} +

М N

+©кв (£ ^{И т } -X ^ {^ п}} >

кв 4

т=1

ВЕСТНИК ТОГУ. 2021. № 4 (63)

составленной ошибками от использования на основе вероятностных характеристик ©т(аС^^(рк)}), отличия модели от адекватной ©на(Ь[С,Су+1 ]) и

различием данных при рассмотрении результатов измерения

М N

®кв Сп (^}) для различного количества параметров (М и N

т=1 п=1

Сокращение объема разнородных данных, необходимых для системы мониторинга в реальном времени увеличивает быстродействие.

Прогнозирование в свою очередь должно опираться на кортеж данных о территориальных и техногенных объектах, на основании которых при использовании сложных статистических моделей будет произведена оценка следа выбрасываемых веществ и представлена визуализация возможного трансграничного переноса с привязкой к пространственным данным атрибутивной информации.

Результаты измерений {gi} и показатели выбросов {рк} могут быть представлены в качестве пространственных атрибутови записаны в базу геоданных (БГД). Структура БГД должна учитывать свойства и характеристики каждого объекта [8] и в зависимости от метода классификации данных унифицировать значения для записи в соответствующие поля. Классификация данных может использовать один из стандартных вариантов формирования диапазонов единообразных значений или вручную задавать собственный, что является дополнительной варьируемой характеристикой, для работы с которой необходимо определить ее предельные значения диапазонов существования.

Примером границ интервалов могут являться лучшие () и худшие ( Стж) значения по показателю одного из видов парниковых газов, например, двуокиси углерода. Данная информация нужна для того, чтобы иметь возможность объединения данных различного типа. Разнородность данных связана с методиками получения результатов измерения, так как сравнению подлежат контролируемые физические, химические, биологические и другие величины разной природы.

Обобщенная оценка в таком случае должна быть получена на основе представления результатов измерений в системе нормированных шкал [9], что позволяет использовать геоинформационными системами унифицированных значений в рамках шкалы для задачи мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды.

Процесс сбора данных осложняется также избыточностью априорной информации, что накладывает ограничение на количество значимых характеристик для рассмотрения конкретного случая. В качестве ключевого параметра необходимо выбрать определенную территорию, для которой первоначально вводятся два класса таксонов, формирующих предельные значения поглощения и выделения СО2 (основного вида парникового газа). Таксоны представляют собой геоданные с информацией:

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

- для зеленых насаждений:

Оп = {N,8,/},

где N - показатель поглощения газа, - площадь таксона, /- частота появления выбросов;

- для техногенных объектов:

Оп = {8, К, и, ц, О},

где 5 - площадь объекта (эмиттера), К - класс опасности предприятия, и -количество опасных веществ, ц - класс опасности вредных веществ, О - область воздействия.

Выбор территории, для которой осуществляется формирование шкалы, проводится по административно-территориальному признаку, что обусловлено необходимостью регулирования вопроса карбонового баланса в рамках конкретной страны, региона или субъекта.

Исследуемая область для наглядности примера должна совмещать несколько отличительных характеристик, позволяя таким образом установить предельные значения шкалы для эмиттеров и поглотителей углерода. Для формирования ГИС-основы ИИС была выбрана территория Калининградской области. Этот регион находится на юго-восточном побережье Балтийского моря и является самой западной частью Российской Федерации. Близость моря создает умеренно-морской, переходящий к умеренно континентальному, климат иуникальный ландшафт различных природных зон. Что касается географического положения: Калининградская область является регионом-анклавом относительно остального государства. Граница сЕвропейским союзом ставит в приоритет охрану окружающей среды и решение экологических проблем региона Балтийского моря, что делает актуальной задачу расчета карбонового следа и прогнозирования трансграничного переноса для данной территории.

Следующим шагом исследования является формирование геоинформационной базы ИИС, для которой необходимо создать топографическую осно-ву,то есть спроецированное изображение поверхности конкретной территории в виде карты. Топооснова предназначена для работы с информацией о:

- рельефе местности г;

- наличии техногенных объектов;

- наличии природных объектов;

- разделении территории на таксоны Оп;

- коммуникациях и прочей инфраструктуре.

Топооснова территории Калининградской области и фрейм данных о ландшафте, объектах инфраструктуры, населенных пунктах, водных объектах, дорожных сетях и т.д. отображают выбранные слои в установленном порядке и в заданной проекции. Эти слои используются для отображения информации из набора пространственных данных. Последовательность слоев определяет порядок прорисовки на карте.

ВЕСТНИК ТОГУ. 2021. № 4 (63)

ВЕСТНИК ТОГУ. 2021. № 4 (63)

Из набора слоев техногенных объектов необходимо выбрать производственные таксоны с заданными параметрами. Большинство из них занимают прибрежные зоны, где ветер дует непрерывно над поверхностью моря, что способствует росту ветровых волн, что может привести к увеличению распространения трансграничного переноса. Атрибутивный запрос эмиттеров из слоя техногенных объектов имеет ключевое поле "iclass"- классы техногенных объектов, ограниченное строками "industrial" для конкретных производств с именем "name " соответствующим "ЖБИ-2":

" iclass" =" industriar AND " nam ё =" ЖБИ- 2".

Результатом сформированного запроса становится крупнейший загрязнитель на прибрежной территории - железобетонный завод ЖБИ-2 (рис. 1).

Рис. 1. Завод ЖБИ-2

Для слоя зеленых насаждений характерны существенные размеры таксонов, специфика которых заключается в необходимости корректного определения площадей и других геометрических параметров пространственных объектов, что достаточно легко реализовать в современных ГИС, однако, сложность возникает при определении точности полученных результатов. В зависимости от варианта нахождения площади можно выделить три основных способа.

1) Создание атрибутивного запроса, аналогично представленному для слоя техногенных объектов.

Анализируя концентрацию зеленых насаждений, формируется пространственный запрос для выделения предельных значений при создании унифицированной шкалы выбросов по видам парниковых газов, который выглядит следующим образом:

" /class" =" forest' AND " Площадь" > 1000, где ''/class"- это классы зеленых насаждений, из которых выбирается строка, с присвоением значения 'forest", то есть лес. Вторым ограничением для выборки служит параметр "Площадь" (она должна быть больше 1000км2).

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

В соответствии с заданными условиями на карту проекта экспортируются данные, представляющие собой таксон национального парка Куршская коса, охранная территория представлена на рис. 2.

Рис. 2. Корень Куршской косы

2) Использование калькулятора поля.

Калькулятор поля позволяет выполнять простые, а также сложные вычисления для любых выбранных записей таблицы слоя. Для вычислений используется как система координат источника данных, так и система координат фрейма данных. Стоит отметить, что использование данного метода подразумевает вычисление геометрии планиметрически, то есть происходит в проецированном, а не сферическом или геодезическом пространстве, тем самым увеличивая полную погрешность результата измерения.

3) Использование спутниковых снимков.

Спутниковые снимки из-за разности в значениях яркостных характеристик помогают отследить увеличение биомассы растительности и подавить лишнюю информацию, тем самым уточнив площади, занимаемые зелеными насаждениями и другими объектами, находящимися на территории таксона.

Рис. 3 (а). Выбор таксона Рис. 3 (б). Применение Рис. 3 (в). Применение

индекса МЭУТ крутизны рельефа ¥

ВЕСТНИК ТОГУ. 2021. № 4 (63)

ВЕСТНИК ТОГУ. 2021. № 4 (63)

На рис. 3 представлено пошаговое определение площади зеленых насаждений. На рис. 3.(а) выделен таксон и с помощью инструмента «Измерить» получено значение его площади. На рис. 3.(б) при помощи индекса NDVI (нормализованный относительный индекс растительности) появляется возможность определить площади таксона. Индекс рассчитывается в результате операций с различными спектральными диапазонами и показывает количество фотосинтезирующей активной биомассы.

В соответствии с дискретной шкалой для данного индекса, значения от 0 до 0,5 показывают отсутствие растительности либо сильно разряженную растительность.

VIZ еа,

где VIz - значения ячеек после применения индекса NDVIдля определения растительности.

Если величина а е (0,5; 1] = 1, тогда таксон содержит зеленые насаждения, иначе, при а е [0;0,5] = 0, то есть на таксоне отсутствует растительность. В качестве примера рассмотрены девять соседствующих пикселей {pin}.

Pi1 Pi2 pi3

pÍ4 pÍ5 pió

piy pis pi9

Пара ячеек не входит в диапазон зеленых насаждений (это пиксели pi4 и pi5 для которых а е [0;0,5]), они исключаются из рассмотрения и не участвуют в формировании итогового результата по определению площади.

На рис. 3.(в) определена крутизна рельефа r, данная характеристика является важным показателем при оценке морфометрических параметров (числовых форм рельефа - линейных, площадных, объемных).

Для более информативного результата каждому пикселю {pin} растрового снимкаприсвоено значение крутизны рельефа (рис. 4), интенсивность цвета характеризует больший угол наклона. При помощи интерполяции создается непрерывная поверхность на основании дискретной выборки полученных значений.

I» W 242 J11 }5> }М 065 ОМ f47 fil 09» )V

ytJ .211 W .1*1 IS .1M MS 051 0« 0« 04J OU ¿1

US 1Я yu 177 ,1» 10« 0* .1J2 142 yP }Ю 07 p»

2 Я 2.31 ; )Я .14 )Л 1Í4 1.JS _1JJ |J2 }22 .11» .105

¿47 I* 1« )Р 1*4 147 1J1 114 ,1« 0*4 ОМ ya 124

ш ш 2.4» р* уя i» ya ya )t¡ pa о я ум уя 141 I» .1С 0J» рм fM ух pu pi? yo ,147 2М 2-Я уп yo У» OÍS }B¡ ,1Л4 pr> 01 Ш yj lî»

Рис. 4 (а). Присвоение пикселям Рис. 4 (б). Кластеризация таксона по углу кривизны рельефа наклона рельефа

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Для каждого пикселя проводится проверка соответствия на основании следующих выражений:

¥е[0,1] = 0 (1,10] = 1'

где значение показателя ¥=1 соответствует пикселю, участвующему в формировании итоговой площади всего таксона, со значением угла наклона; в противном случае, если ¥=0, то пиксель не входит в итоговую площадь по определению зеленых насаждений, так как рельеф г в данном диапазоне представляет собой пустую поверхность без растительности. Суммированию подлежат только те пиксели, которые выполняют условие (¥=1) и составляют поверхность из всех Ь ячеек длины и Н ячеек ширины таксона.

Н Ь к=1 I =1

Далее вычисляется относительная погрешность различия результатов измерения площади:

- } = 2,8%,

где - площадь таксона, полученная с помощью вегетационного индекса

(13490 км2); - площадь таксона, полученная с использованием крутизны рельефа (13118 км2).

Сравнение двух подходов определения площади, при использовании индекса NDVI и методики с показателем ¥, дает расхождение в рамках выбранного примера около 3%, и составляет А - } =372 км2.

Таким образом, расчетные данные были уточнены, оценка площади зеленых насаждений с учетом показателя ¥ является более достоверной.

Полученные результаты геоинформационной модели позволяют перейти к созданию унифицированной шкалы по видам парниковых газов и показывают предельные значения для конкретной территории. Техногенный объект и прилегающая к нему инфраструктура представляют собой комплекс взаимосвязанных таксонов, являющиеся эмиттерами парниковых газов. Измерения, полученные в данных точках, являются худшими показателями по критерию поглощения и демонстрируют оценку снизу устанавливаемого диапазона шкалы. Оценкой сверху, т.е. лучшей по критерию депонирования является территория национального парка, представляющая собой природоохранную зону. На ней реализуется пилотный проект по созданию карбонового полигона [10], который будет использован для разработки и испытаний технологий дистанционного и наземного контроля мониторинга и управления способностью окружающей среды поглощать и выделять углерод,

Библиографические ссылки

1. Федоров Б.Г. Российский углеродный баланс: монография. М.: Научный консультант, 2017. 82 с.

2. Белова С.Б., Старчикова И.Ю., Старчикова Е.С. Углеродный след: проблемы и пути решения // Наука и бизнес: пути развития. 2020. № 3. С. 19-21.

ВЕСТНИК ТОГУ. 2021. № 4 (63)

ВЕСТНИК ТОГУ. 2021. № 4 (63)

3. О сокращении выбросов парниковых газов : указ Президента РФ от 04.11.2020 № 666 // Российская газета. 2020. 6 нояб.

4. Аналитический обзор методик учета выбросов и поглощения лесами парниковых газов из атмосферы / Филипчук А.Н., Малышева Н.В., Моисеев Б.Н., Страхов В.В.// Лесохозяйственная информация. 2016. № 3. С. 36-85.

5. Об утверждении Концепции формирования системы мониторинга, отчетности и проверки объема выбросов парниковых газов в Российской Федерации: распоряжение Правительства РФ от 22.04.2015 № 716-р (ред. от 30.04.2018) // Собрание законодательства РФ. 2015. № 18. Ст. 2737 ; 2018. № 19. Ст. 2811.

6. Об охране окружающей среды : федер. закон от 10.01.2002 № 7-ФЗ (ред. от 02.07.2021) // Собрание законодательства РФ. 2002. № 2. Ст. 133; 2021. № 27 (ч. I). Ст. 5170.

7. Kurakina N. I., Suloeva E. S. Integral assessment and spatial modeling of water areas pollution in the GIS technology // Proceedings of the 2016 IEEE North West Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference. Saint-Petersburg, 2016. P. 770-771.

8. Principles of Geodatabase Arrangement for Studying the Sequestration Potential of Carboniferous Territories / Zhdanova E.N., Suloeva E.S., Filippov M.M., Minina A.A. // Proceedings of 24th International Conference on Soft Computing and Measurements, SCM 2021 P. 208-210.

9. Алексеев В.В., Орлова Н.В. ИИС мониторинга сложных объектов. методика построения системы нормированных шкал для анализа состояния природных объектов на базе ГИС // Вестник ТОГУ. Хабаровск, 2010. № 3. С. 33-42.

10. Гессен С.М., Воротников А.М. Карбоновые полигоны, новый инструмент управления климатическими изменениями в российской федерации // Журнал социологических исследований. 2021. Т. 6, № 2. С. 22-30.

Title: Features of the Application of Geoinformation Technology for the Development of the Information-Measuring Environmental Control System

Authors' affiliation:

Suloeva E. S. - Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI", Saint Petersburg, Russian Federation

Zhdanova E. N. - Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI", Saint Petersburg, Russian Federation

Abstract: The authors discuss the issue of creating an information-measuring system for monitoring greenhouse gases emission and predicting the spread of pollutants during trans-boundary transportation. The expediency of using geoinformation technology for working with large volume of heterogeneous data containing attributive information about spatial objects is substantiated. To classify the cortege of a priori knowledge, a geodatabase is formed, which contains the measurements results and indicators of emission, characteristics of natural and man-made objects. The result of work of the geographic information system is shown by the example of Kaliningrad region.

Keywords: information and measuring system, geoinformation technologies, GIS, standardized scale, spatial data, ecology, greenhouse gases.