CC BY
6
УДК 504.064.2
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-3-416-421
ТРЕХМЕРНАЯ ГЕОПРОСТРАНСТВЕННАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ РЕГИОНА
А.В. Данеев, Л.Ю. Дмитриева, О.С. Плеханова
В работе описано применение ГИС технологии для визуализации загрязнения воздушной среды. В качестве инструмента визуализации приведены тепловые карты и гистограммы. Описана методика получения таких визуальных данных в широко распространённом офисном приложении. Сам визуализиремый параметр «качественный показатель состояния воздушной среды» может быть представлен не только в разрезе привязки к географической карте, но и по временной шкале. Предложенный метод получения графических изображений может применяться для информационной поддержки процесса принятия решений, связанных с эколого-экономической оценкой.
Ключевые слова: ГИС технология, визуализация, загрязнение воздушной среды, эколо-го-экономическая оценка.
Анализ экологической ситуации в Российской Федерации за последние годы свидетельствует о том, что на территориях, наиболее развитых экономически, загрязнение природной среды остается высоким, несмотря на осуществление комплекса природоохранных мер федерального и регионального значения. Несмотря на многочисленные подходы для оценки загрязнения воздуха, которые были разработаны в последние 50 лет (со второй половины 20 ве-кав России), они не рассматривают оценку за пределами городской черты. Число показателей, которые могут быть использованы для оценки экологического состояния, измеряется сотнями. Обработка такого массива данных, его анализ, выявление "значимых" или "несущественных" показателей весьма затруднительны без использования совокупности компьютерных и телекоммуникационных технологий.
Одной из главных проблем естествознания является разработка принципов и методов исследования природных, техногенных и социальных систем. За прошедшие тысячелетия цивилизация и технологии сделали заметный скачок в своём развитии. И весь ритм жизни человечества, как в прошедшие эпохи, так и сегодня, определялся одним - возможностью доступа к тем или иным природным ресурсам. За годы такого взаимодействия с природой запасы природных ресурсов заметно сократились. Человечество подошло к новому рубежу своей истории: стихийное развитие производительных сил, неконтролируемый рост населения, отсутствие дисциплины индивидуального поведения могут поставить человечество, то есть биологический вид homo sapiens, на край гибели. Проблема загрязнения окружающей среды не нова, но меры, методы и технологии настолько разнообразны и не связаны между собой, что вывести единый подход пока не удалось. Как считает Н.Ф. Реймерс [5], все факторы из рассматриваемых сред тесно связаны между собой и составляют различные стороны качества среды жизни, которые должны быть учтены при экологической оценке состояния изучаемой территории.
Для эффективного функционирования системы экологического прогнозирования необходимо такое алгоритмическое и программное обеспечение, которое бы позволяло:
работать с небольшими выборками данных, полученными со значительной погрешностью;
учитывать неформальное знание и видение одного и того же феномена с помощью целого множества различных и приближённо равноценных моделей, возможную «разношкаль-ность» предикторов, отсутствие унифицированной и общепризнанной методики оценки их качества;
быть «гибким» по отношению к новой информации.
Для систематизации и обработки данных по расчету риска загрязнения воздушных ресурсов выбран язык программирования VisualBasicforApplications для MS Excel, позволяющий быстро и удобно разработать эффективные приложения с использованием пакета MS Office. Модель представления данных, реализованная в программном обеспечении «Визуализация комплексного антропогенного воздействия на воздушную среду территории Иркутской области» (свидетельство Роспатента № 2014611218 от 28.01.2014 г.), была призвана систематизиро-
416
вать и структурировать данные из различных государственных отчетов о состоянии воздушной среды. Изначально в базу данных программы были внесены показатели за период с 2006 по 2011 годы, на данный момент, база дополнена данными до 2020 года [2], [3].
Разработанный авторами программный продукт «Визуализация комплексного антропогенного воздействия на воздушную среду территории Иркутской области» [1] имеет следующую функциональную спецификацию:
Выполняет визуализацию по любому из четырех, измеряемых параметров основных загрязняющих веществ, с учетом выбранного пользователем города Иркутской области в период с 2006 по 2020г.г;
Показывает характеристики качественного показателя состояния воздушной среды по 3 уровням локального воздействия, с учетом затухания при распространении на периферию окружающего пространства, за определенный год;
Рассчитывает качественный показатель состояния воздушной среды по городам за определенный год;
Реализует прогноз по суммарному показателю воздействия.
Одним из современных требований к системам поддержки принятия решений является применение ГИС технологий, которые позволяют взглянуть на проблему под новым углом, иногда в прямом смысле этого слова. ГИС дает мощную консолидирующую основу для систематизации и комплексного анализа многомерных данных и является информационно-аналитической платформой, позволяющей отслеживать изменения в пространстве и во времени. Технология создания и использования геоинформационных систем является предметом изучения геоинформатики и представляется сложной, многогранной проблемой. Зачастую пользователи систем поддержки принятия решений имеют высокую квалификацию в области управления и не имеют специальных навыков в информационных технологиях. Всегда актуальны системы, позволяющие не отвлекаться на выполнение сложных операций специфического характера, и решать поставленные задачи в кратчайшие сроки. Так в MS Excel 2013 появилась стандартная функция создания 3d-карт, предназначенная для трехмерной геоинформационной визуализации, применяя которую для анализа данных авторской модели позволит лучше понимать вопросы реагирования на изменяющуюся ситуацию, а так же видеть перспективы социально-экономического развития региона.
Трехмерная ГИС визуализация данных загрязнения воздушной среды позволяет, в отличие от двумерных таблиц и диаграмм, увидеть взаимосвязанность объектов, осознать логику развития событий на таком многофакторном поле. На рис. 1 изображено расположение основных городов-загрязнителей Иркутской области. ГИС технология дает возможность оценить антропогенное воздействие на природные системы региона.
Использование тепловой карты, особого графического представления данных, с привязкой к географической карте, позволяет не только определить интенсивность воздействия негативных факторов на расширяющееся пространство, но и их возможное пересечение, а следовательно, их синергетическое действие. На рис. 2 представлена тепловая карта суммарного показателя воздействия на воздушную среду в 2016 году. Очевидно, загрязнение воздушной среды в районе Иркутско-Черемховского промышленного узла, представлено не только отдельными городами-загрязнителями, но и имеет фактор эмерджентной.
Гистограммы и графики для двумерного изображения показывают изменения данных с течением времени. Группировка по годам суммарного показателя воздействия на воздушную среду в 2006, 2007 и 2016 году помогает сравнить уровни воздействия не только во времени, но и в пространстве. Визуально выделяются заметно высокие показатели для города Братска, а также большая разница в показателях 2006 и 2007 годов (рис. 3).
Исходя из свойства природных систем, развивающихся в режиме самоорганизации и характеризующихся затуханием степени локального воздействия при распространении его на постепенно увеличивающийся размер окружающего пространства программа рассчитывает качественный показатель воздействия на воздушную среду [4]. Показатель учитывает состояние воздушной среды, основываясь на ПДК, классе опасности загрязняющего вещества и радиусе удаленности от территории, подверженной антропогенному воздействию. Визуально изменения этого параметра в географическом пространстве за 2016 год представлена на рис. 4. ГИС технология позволяет оперировать разнообразными данными, проводить их оперативный пространственных анализ, выявлять социально-экономический потенциал региона. Простота применяемого инструмента позволяет применять его широким кругом лиц для поддержки принятия решений в организационных системах с целью повышения эффективности их функционирования.
5 0
- "Л— © ©-
: у-®}
Рис. 1. Расположение основных городов-загрязнителей Иркутской области
. *р*ча*ргщ
л»
—
Рис. 2. Тепловая карта суммарного показателя воздействия на воздушную среду в 2016 году
1
сравнение ПО выбранным годам
■ 2006 (Сумма) -Г* ✓"ч □ 2007 (Сумма) Т^^^Н Ч^У
■ 2016 (Суммам ^ "^^Х ^ С5 О
Г—" 0
V™ У —\ © ©
Рис. 3. Гистограмма с группировкой по годам суммарного показателя воздействия на воздушную среду в 2006, 2007 и 2016 году 418
К V ©®
С 2ГПВ
Рис. 4. Гистограмма с группировкой по трем уровням воздействия качественного показателя состояния воздушной среды по 3 уровням локального воздействия, с учетом затухания при распространении на периферию окружающего пространства в 2016 году
В экологических системах связи образованы и функционируют природным образом, в следствие чего эти системы являются слабоструктурированными. Такие системы функционируют в условиях неопределённости, характеризуемой недостатком информации, необходимой для формализации протекающих в них процессов. Зачастую для моделирования ситуации в таких системах необходимы экспертные оценки. Программное обеспечение «Визуализация комплексного антропогенного воздействия на воздушную среду территории Иркутской области» создано именно для системы управления в социальных и экономических системах, которая позволяет представить необходимые ресурсы для минимизации ошибки человеческого фактора [1].
Разработка и внедрение метода трехмерной геопространственной визуализации загрязнения воздушной среды региона позволит значительно упростить и ускорить процессы обработки и анализа данных, повысит достоверность математических расчетов и позволит избежать возможного влияния чьих-либо интересов на принятие решений, что неминуемо скажется на качественных показателях нашей среды обитания.
Создана информационная система, позволяющая получать визуализацию данных по уровням загрязнения атмосферного воздуха для оперативного управления и контроля, с целью стратегического планирования в сферах социально-экономической направленности. Программный продукт «Визуализация комплексного антропогенного воздействия на воздушную среду территории Иркутской области» может быть использован для совершенствования системы мониторинга загрязнения окружающей природной среды на региональном уровне, совершенствования комплексных показателей состояния воздушной среды, для формирования долгосрочных планов экономического развития городов Иркутско-Черемховского промышленного узла, для информационной поддержки процесса принятия решений, связанных с эколого-экономической оценкой.
Список литературы
1. Дмитриева Л.Ю., Михайлова О.С., Мусихина Е.А. Визуализация комплексного антропогенного воздействия на воздушную среду территории Иркутской области. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014611218, 2014. С. 9 - 14.
2. Интернет ресурс Главной геофезической обсерватории // Перечень материалов, изданных ГГО. Подборка данных по материалам «Ежегодник состояние загрязнения атмосферы в
419
городах на территории России» за 2006-2016г. [Электронный ресурс] URL: http://voeikovmgo.ru/?option=com content&view=artide&id=40:perechen-materialov-izdannykh-ggo&catid=41&Itemid=24&lang=ru (дата обращения: 10.02.2022).
3. Михайлова О.С., Мусихина Е.А., Дмитриева Л.Ю. Программа «Визуализация комплексного антропогенного воздействия на воздушную среду территории Иркутской области» // Информационные системы и технологии. 2014. № 3 (83). С. 31-38.
4. Мусихина Е.А. Исследование влияния фактора времени на оценку состояния окружающей среды в условиях работы горнодобывающих предприятий. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007. 90 с.
5. Реймерс Н.Ф. Экология (теории, законы, правила, принципы и гипотезы). М.: Журнал "Россия Молодая", 1994. 367 с.
Данеев Алексей Васильевич, д-р техн. наук, профессор, daneev@mail. ru, Россия, Иркутск, Иркутский государственный университет путей сообщения,
Дмитриева Лариса Юрьевна, канд. техн. наук, доцент, dlj-2011@,mail. ru, Россия, Иркутск, Иркутский национальный исследовательский технический университет,
Плеханова Ольга Сергеевна, магистр, начальник отдела сопровождения программного обеспечения, plekhanova_os@bk.ru, Россия, Иркутск, Иркутский государственный университет путей сообщения
3D GEOSPATIAL VISUALIZATION OF REGIONAL AIR POLLUTION A.V. Daneev, L.Yu. Dmitrieva, O.S. Plekhanova
In the work, it is possible to use GIS technologies to prevent the occurrence of an air environment. Heat maps and histograms are used as an evaluation tool. A technique for obtaining visual data in a widely recognized office application is described. The visualized parameter "qualitative indicator of the state of the air environment" itself can be presented not only in terms of reference to a geographical map, but also on a time scale. The proposed method for obtaining graphic images can be discovered to support the decision-making process associated with the environmental-economic assessment.
Key words: GIS technology, visualization, air pollution, environmental and economic assessment.
Daneev Aleksey Vasilievich, doctor of technical sciences, professor, daneev@mail. ru, Russia, Irkutsk, Irkutsk State University of Communications,
Dmitrieva Larisa Yurievna, candidate of technical sciences, docent, dlj-2011@mail.ru, Russia, Irkutsk, Irkutsk National Research Technical University,
Plekhanova Olga Sergeevna, master, head of software maintenance department, plekhano-vairgups@gmail.com, Russia, Irkutsk, Irkutsk National Research Technical University
