CC BY
34
© В.П. Потапов, О.Л. Гиниятуллина, Е.Л. Счастливцев, 2013
УЛК 574:004.9:622
В.П. Потапов, О.Л. Гиниятуллина, Е.Л. Счастливцев
СОВРЕМЕННЫЙ ПОДХОД К ЭКОЛОГИЧЕСКОМУ МОНИТОРИНГУ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ РЕГИОНОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ И ОБЛАЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ *
Предлагается новый подход к построению систем экологического мониторинга горнодобывающих районов, основанный на интеграции классических методов отбора проб, полевых исследований и т.п., алгоритмов обработки данных дистанционного зондирования и облачных технологий. Приводится схема построения геопортала системы. Показаны преимущества подобной реализации перед традиционным размещением на локальном хостинге.
Ключевые слова: экологический мониторинг, данные дистанционного зондирования, горнодобывающие районы, облачные технологии.
Современные темпы добычи полезных ископаемых оказывают существенное влияние на состояние окружающей среды. Особый вклад вносит горнопромышленный комплекс, который в силу специфики способов добычи оказывает комплексное влияние на экологию региона: атмосферу, воду, растительность и почву. Все четыре компонента тесно взаимосвязаны и оказывают существенное влияние друг на друга. При этом первые два компонента - вода и атмосфера -очень подвижные субстанции и могут оказывать влияние на большие площади. Как правило, территории горных предприятий занимают десятки и сотни квадратных километров земель, а последствия добычи полезных ископаемых, выражаемые в виде различных загрязняющих веществ, могут распространяться на территории больше, чем санитарные зоны самих горных отводов. Последствия ведения горных работ без применения природоохранных мероприятий приводят к катастрофическим последствиям.
"Данная работа проводилась при частичной финансовой поддержке гранта РФФИ 12-07-31001 мол_а.
За последние 10 лет в Кузбассе в зоне горных работ исчезло около 200 речек, а действующая речная сеть сократилась на 365 км. Также отмечается угнетение растительности, исчезновение редких растений, занесенных в красную книгу не только в зонах разработки угля, но и в прилегающих территориях, где протекают речные токи с загрязняющими веществами. Несмотря на это специалисты отмечают, что дальнейшее развитие горнодобывающей промышленности России будет осуществляться в значительной мере за счет расширения открытой добычи полезных ископаемых [1]. Многоплановое и комплексное воздействие горных работ особенно открытым способом добычи на окружающую среду будет приводить к дальнейшему изъятию больших земельных площадей под горные работы, для складирования вскрышных пород и строительства объектов инфраструктуры и коммуникаций, загрязнению водного и воздушного бассейнов, изменению гидрогеологического режима местности. Важнейшим фактором рационального природопользования являются мероприятия по снижению техногенных нагрузок на природные комплексы горнодобывающих регионов. Таким образом, возникает серьезная проблема мониторинга состояния окружающей среды в подобных регионах. Несмотря на наличие большой законодательной базы [2-7] в настоящее время не существует единой системы геоэкологического мониторинга горнопромышленных регионов. В настоящее время необходимо создание системы геоэкологического мониторинга, которая позволяла бы, с одной стороны, динамически отслеживать состояние угледобывающих районов (регионов) в целом, а с другой стороны, оценивать воздействие различных факторов по нескольким многомерным критериям.
Следует отметить, что в настоящее время классические методы проведения экологического мониторинга заключаются, как правило, в отборе проб, срезов, сборе полевых замеров и т.п. Эти методы обеспечивают точность результатов только в точке отбора/замера. Принимая во внимание, что угледобывающие предприятия имеют большие по протяженности территории, которые часто трудно, а порой и просто невозможно физически обследовать, то при избирательном изучении возникают существенные ошибки аппроксимации результатов с увеличением площади. Кроме того, при анализе подвижных объектов, таких как вода и атмосфера, требуется одномоментная
фиксация события или состояния, которую невозможно обеспечить классическими методами. Следует отметить, что в настоящее время применение технологий и методов дистанционного зондирования Земли позволяет снять данные проблемы при обследовании экологического состояния территорий. Однако, не следует исключать классические методы мониторинга. Современные тенденции развития мониторинговых систем заключаются в логическом симбиозе классических лабораторных исследований и анализе пространственной информации, получаемой методами неконтактной съемки с помощью космических аппаратов, самолетов, беспилотных летательных аппаратов и т.п. В настоящее время наибольшее распространение получило применение космонимков для анализа экологического состояния природных территорий.
Созданию новых методов и технологий обработки данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) привело к появлению новых информационных систем, ориентированных на решение научно-исследовательских и прикладных задач по данным спутникового зондирования широкого спектра хозяйственной деятельности. Основной задачей таких систем является получение оперативной информации о различных объектах, процессах и явлениях. В настоящее время сформированы требования к технологиям обработки спутниковых данных (Ёупян Е.А., Саворский В.П., 2012). Суть этих требований заключается в том, что технологии обработки спутниковых данных должны быть максимально автоматизированы и при этом обеспечивать получение устойчивой объективной информации о наблюдаемых процессах и явлениях. Наличие таких требований приводит к необходимости создания совершенно новых подходов и алгоритмов тематической обработки данных спутникового зондирования, а также разработке новых, ориентированных на получение исходной и динамической информации, моделей развития тех или иных явлений. Применение подобных алгоритмов и подходов накладывает определенные требования на системы, использующие информацию ДЗЗ, заключающиеся в реализации новых уровней обработки данных. Это вызывает необходимость предоставления не только откалиброванной информации для отдельных каналов снимка, но и различного рода интегральных физических характеристик, получаемых на основе комплексирования спутниковых данных и восстановле-
ния параметров состояния исследуемых объектов по изображениям. Использование этих характеристик в системах оценки состояния различных объектов и явлений и моделях, протекающих в них процессов, делают данные ДЗЗ уникальным и единственным источником актуальных данных.
Кроме того следует также отметить, что важным является вопрос интеграции результатов различных типов экологического мониторинга и доступ к этим данным конечного пользователя. В настоящее время отмечается устойчивая тенденция создания специализированных геопорталов с использованием облачных технологий. Суть подхода заключается в объединение территориально разобщенных источников данных, алгоритмов расчета и визуализации данных в рамках единой облачной платформы. Причем подобные системы должны быть предельно гибкими и масштабируемыми, а также обеспечивать серьезные вычислительные возможности, что практически невозможно обеспечить технологией создания классических web-приложений, реализуемых на хостингах предприятий. Одним из вариантов создания подобных систем является применение технологии mashup. Mashup рассматривается как подход к построению веб-приложений, основанный на объединении данные из двух и более источников с целью создания новых уникальных веб-сервисов, изначально не предлагаемых ни одним из поставщиков данных. В архитектуре mashup4ов выделяют три части:
• провайдер содержимого являющийся поставщиком данных, доступных через API и различные веб-протоколы;
• mashup-сайт — веб-приложение, предлагающее новый сервис на основе интеграции не принадлежащих ему источники данных;
• браузер клиента, представляющий собой собственно пользовательский интерфейс.
С такой точки зрения, архитектура системы геоэкологического мониторинга горнодобывающих районов может быть представлена следующей схемой (рис. 1).
На основе предложенной архитектуры в Кемеровском филиале Институт вычислительных технологий СО РАН разработана интегрированная информационно-вычислительная система
Рис. 1. Архитектура системы геоэкологического мониторинга горнодобывающих районов
динамической оценки экологического состояния угледобывающих районов (ИИВС ДОЭС). В данном случае в качестве провайдеров данных выступает вычислительный сервис, картографический сервер информационной системы и сервис Google Maps. Приложение ИИВС ДОЭС выступает в роли mashup-сайта. Система позволяет оперировать следующими типами данных: БД замеров, полученных в лабораториях, электронные карты, космоснимки, данные результатов расчетов. В настоящее время в системе реализовано представление экологического состояния по таким объектам, как водная акватория, растительность и почва, атмосфера. Применение данных дистанционного зондирования в качестве источника актуальной информации позволяет получать тематические карты на исследуемый регион, выявлять очаги опасности, такие как сброс загрязняющих веществ в реку, выявление зон деградации растительности и почв, фиксировать и оценивать состояние региона в динамике за несколько лет. В результате предварительного анализа состояния среды по данным ДЗЗ формируются так называемые зоны интереса, которые в дальнейшем исследуются с помощью классических методов в лабораторных условиях. Таким образом, обеспечивается полноценный анализ состояния окружающей среды на данный момент и в ретроспективе за несколько лет.
Подводя итоги, следует заметить, что интеграция классических методов исследования окружающей среды, средств дистанционного зондирования, а также последних достижений облачных технологий позволяет создавать современные системы экологического мониторинга, которые не просто позволяют оперировать актуальными данными, но и обеспечивают накопление и глубокий анализ информации, а также ее доступность и адаптацию к уровню конечного пользователя.
1. Пути повышения эффективности и экологической безопасности открытой добычи твердых полезных ископаемых / [В.И. Ческидов и др.]; отв.ред. В.Н. Опарин; Рос.акад.наук Сиб.отд-ние, Ин-т горного дела и др. -Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2010.
2. Закон РФ от 21 февраля 1992 г. N 2395-1 "О недрах". (б.д.).
3. Методические указания по санитарной охране водоемов от загрязнения сточными водами предприятий угольной промышленности. 22 декабря 1959 г. № 308 - 59.
4. Методические указания по санитарной охране водоемов от загрязнения сточными водами предприятий угольной промышленности. 30 июня 1976 г. № 1435 - 76.
5. Распоряжение Правительства РФ от 12.10.2012 г. № 1911-Р "О внесении изменений в распоряжение Правительства РФ от 6 мая 2008 г. N 671-р".
6. ПБ 07-601-03 «Правила охраны недр». 2003.
7. Лупян Е.А., Саворский В. П. Базовые продукты обработки данных дистанционного зондирования Земли // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. 9(№2). С. 87-96. ШИЗ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Потапов Вадим Петрович - доктор технических наук, профессор, заместитель директора-директор филиала, vadimptpv@gmail.com Гиниятуллина Ольга Леоновна - кандидат технических наук, научный сотрудник, skiporol@mail.ru
Счастливцев Евгений Леонидович - доктор технических наук, заведующий лабораторией моделирования геоэкологических систем, schastlivtsev@ict.sbras.ru
Институт вычислительных технологий СО РАН (Кемеровский филиал).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
