Визуализация данных системы производственного экологического мониторинга Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

№2(20)2009

М. В. Телегина

Визуализация данных системы производственного экологического мониторинга

В работе рассмотрены особенности отображения данных экологического мониторинга. Приведены методы визуализации данных в составе системы производственного экологического мониторинга объекта уничтожения химического оружия в Щучанском районе Курганской области: в виде тренда и экологической карты, а также визуализации результатов моделирования аварийных ситуаций на объекте и при транспортировке отравляющих веществ, в том числе с использованием параметров нормирования.

В соответствии с действующими в России законами и ведомственными нормами любая производственная деятельность, оказывающая влияние на состояние окружающей природной среды, должна сопровождаться экологическим контролем и мониторингом, т. е. систематическими наблюдениями за источниками антропогенного воздействия, уровнем загрязнения компонентов окружающей среды, влиянием загрязнения на состояние биологических объектов. Для решения этих задач в 1992 году разработана Концепция экологического мониторинга, а в 1993 году Правительством Российской Федерации принято Постановление «О создании Единой государственной системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ)». Созданию системы государственного экологического контроля и мониторинга посвящены статьи 63-69 Федерального закона от 10 января 2002 года № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды».

Мониторинговая информация собирается по точечным, площадным и глубинным объектам. Важными являются процедуры просмотра и отображения мониторинговой информации как позволяющие оценить тенденции развития событий и ситуаций, их прогресс и эволюцию. Анализируемая информация представляется в форме карт, снимков, графиков и таблиц. Поэтому одной из наиболее важных функций систем производственного экологического мониторинга (ПЭМ) является отображение или ви-

зуализация его данных Под компьютерной визуализацией подразумевается методика перевода абстрактных представлений об объектах в их геометрические образы, что дает возможность исследователю наблюдать результаты компьютерного моделирования явлений и процессов [1]. Визуализация результатов экологического мониторинга потенциально опасных химических объектов, к числу которых относятся и объекты уничтожения химического оружия, необходима не просто для наглядного представления результатов каких-либо вычислений, а для интерпретации и анализа полученных данных.

Экологические карты, используемые при анализе экологической обстановки, имеют ряд особенностей. Во-первых, они позволяют представить самые разные по площади, назначению и рельефу территории. Во-вторых, экологические карты имеют свою специфику условных обозначений, порой сходную с традиционными топографическими картами местности. Это во многом зависит от цели создания экологической карты. Часто на них наносят и другие объекты: населенные пункты, границы регионов, водоемы, транспортные магистрали. В-третьих, экологические карты отражают самые разные факторы экологии: загрязнение воздуха, водоемов, почвы и т.д. В зависимости от поставленной задачи определяется состав объектов карты и исследуемые факторы.

V 107

№2(20)2009

Методы

отображения экологических данных

Несмотря на многообразие экологических карт, они сходны по принципу графической организации данных. В основе этого принципа лежит представление областей распределения какого-либо экологического параметра в соответствии со шкалой, отображающей изменения параметра на карте. Задачу автоматизации изготовления и обновления экологических карт решают автоматизированные системы экологического мониторинга. Все измерения того или иного показателя, поступающие на вход такой системы, носят дискретный характер. Карта предполагает обработку полученных дискретных данных и их преобразование в непрерывную карту местности.

Математической основой такого метода является дискретная модель поверхности — взвешенный граф, представляющий собой топологию поверхности. Причем его узлы соответствуют точкам на местности, взвешены числовыми оценками экологической ситуации. Эта модель позволяет по измеренным данным построить непрерывную экологическую карту. При этом от шага дискретизации зависит точность построения пространственного распределения данных, что позволяет перейти к непрерывному изображению карты. Графической основой всех таких переходов являются градиенты (градиентные заливки). Такие заливки позволяют обеспечить плавный переход цвета между точками поверхности разных цветов, что немаловажно для построения карты.

Существует достаточно широкий набор методов интерполяции, которые можно объединить в две группы: детерминированные и геостатистические [2]. Детерминированные методы интерполяции базируются на создании поверхностей по известным значениям в точках продлением закономерностей распределения значений по мере удаления отточек (угасание влияния каждой известной точки пропорционально расстоянию удаления от нее — метод обратно взвешенных расстояний, Ю\Л/), или путем сглаживания различий (5рИпе-функции). К этой группе относятся методы интерполяции: обратно взвешенных расстояний, глобальный

полиноминальныи, локальный полиноминальный, базовых радиальных функций.

Геостатистические методы интерполяции базируются на статистических закономерностях, т. е. используются для более точного и сложного моделирования поверхностей, включая оценку ошибок и построение вероятностных параметров построенных поверхностей. В эту группу входят методы кригинга и кокригинга, которые используют при разных условиях различные алгоритмы интерполяции [2], [4].

В части программной реализации можно выделить несколько типов систем визуализации экологической информации.

Применение растровых картографических изображений

Существуют системы, использующие растровые картографические изображения местности, втом числе и космические снимки. В подобных системах предусмотрены различные функции от привязки растрового изображения, расстановки точек пробоотбора, оперативного ввода входной информации до построения картины пространственного распределения анализируемых компонент. Как правило, присутствует инструментарий для различных режимов визуализации пространственного распределения [2], [3]. Такие системы недороги и просты в использовании, и особенно актуальны в случаях, когда оперативно создать цифровые карты на конкретную местность не удается (например, при мониторинге местности после произошедших экологических катастроф). Однако информационно-аналитическое обеспечение системы экологического мониторинга должно включать в себя совокупность методов, способов и приемов сбора, пе редачи, переработки, хранения и доведения до пользователей экологической информации с применением современного информационного оборудования, техники и вычислительных средств. Развитие информационных технологий неразрывно связано с применением вычислительной техники и информационно-измерительных систем, заменой традиционных носителей информации на современные компьютерные носители.

108

№2(20)2009

Использование геоинформационных систем

Для отображения экологической информации широко используются коммерческие геоинформационные системы (ГИС), функциональные особенности которых определяются их проблемной ориентацией как систем сбора, представления в цифровом виде; обработки и представления пространственно-коор-динированных данных в форме тех или иных табличных, графических, картографических документов. Структурно программное обеспечение ГИС включает группы операций, оформленных в виде самостоятельных, взаимосвязанных или независимых структурных единиц. Принципы структурирования программного обеспечения ГИС различны, различен и набор реализации отдельных операций и их групп. Среди функций таких ГИС можно выделить построение пространственного распределения показателей в виде так называемых тематических карт, когда табличные данные по объектам сопоставляются с графическими образами на карте. К графическим средствам наряду с раскраской относятся штриховки, виды символов и такие методы представления, как графики и круговые диаграммы. Для визуализации непрерывного распределения в пространстве некоторых данных наиболее часто используется тематическая карта, получаемая при интерполяции точечных данных, в виде растровой поверхности с непрерывной цветовой раскраской карты (растр, поверхность).

За последние годы появилась целая серия научных работ по созданию современных целевых геоинформационных систем [2], [4]. Электронные карты с автоматически подключенными к ним базами данных позволяют быстро извлекать необходимую информацию по объекту на карте, а также сортировать, обрабатывать и анализировать эту информацию. Помимо карт в составе ГИС предлагается использовать серию таблиц, связанных с картами.

Разработка методов и технологий создания тематических карт и баз данных для специализированных геоинформационных систем является одним из направлений работ Рос-

картографии в природоохранной области. В качестве основных источников информации для формирования таких баз данных используются различные материалы, в том числе картографические: цифровые топографические карты и материалы тематических карт, отражающие состояние природных ресурсов регионов на данный момент времени и в динамике, составленные по материалам космической съемки. Разработаны методы и аппаратно-программные средства не только формирования баз данных, но и оценки природно-экологиче-ской ситуации, выявления тенденций изменения состояния природной среды конкретных территорий.

Зачастую для отображения экологических данных используются коммерческие ГИС, в частности ГИС Maplnfo, как одна из наиболее широко используемых в настоящее время в ряде организаций России. Язык программирования, действующий в среде Maplnfo, имеет структуру и идеологию семейства Basic-языков. Арсенал MapBasic достаточно обширен — поддержка DDE и DLL позволяет подключать к программе модули, созданные в среде Visual Basic и С++.

Визуализация данных

в составе системы производственного экологического мониторинга

Однако подобный способ отображения данных неприемлем для создания визуализации данных в составе сложной системы производственного экологического мониторинга, использующей подсистемы: базу данных, моделирования, поддержки принятия решений, документооборота и др. К тому же многие ГИС, имея инструмент импорта данных из систем управления базами данных, не обладают сетевой версией.

В таких случаях экологические данные для визуализации должны поступать из базы данных информационно-аналитического центра (ИАЦ) системы экологического мониторинга. Подсистема визуализации должна отражать состояние объектов ПЭМ с индикацией превышения предельно допустимых концентраций вредных веществ, осуществлять отображение по времени, зонам, точкам контроля, средам и загрязнителям [б].

109

№2(20)2009

Ш §-

I %

о 5 о

0

1

«о §

к--:

1 §

е5 ■о

I

«э §

3

I 00

В этой работе предлагается программно реализованная система визуализации данных в составе системы ПЭМ объекта уничтожения химического оружия в Щучанском районе Курганской области. Для визуализации на карте используются созданные в коммерческих ГИС векторные слои карты. Функции системы визуализации:

• импорт слоев электронной карты, созданных в геоинформационной системе Мар1п1Ъ;

• работа с картой (зумминг, редактирование размещения слоев карты, информация о положении указателя «мыши»);

• отображение на карте по координатам из базы данных пунктов пробоотбора и расположения автоматизированных стационарных постов (АСПК);

• построение тренда по выбранным параметрам (среда, вещество, период) и пункту анализа;

• выбор величины, по которой производится нормирование;

• построение экологических карт по выбранным параметрам (среда, вещество, период);

• отображение метеоданных с выбранного пункта АСПК;

• визуализация данных моделирования последствий аварийных ситуаций с учетом нормирования в виде экологических карт.

Карта Анализ Моделирование!

Среда

| атмосферный воздух л)

Параметр

| зоман л]

Г Общий анализ

Временной диапазон

с 101.01.2009 | 0:00:00

по| 01.02.2009 ^ | 0:21:45 -

Норма ПДК м.р. л]

17 Только АСПК

• По макс, значениям

С По средним значениям

Прозрачность Видимость

1 1

Построение тренда

Для управления процессом анализа и обработки данных с целью расчета реальных выбросов, интегральных показателей загрязнения среды, выявления случаев превышения контрольных значений установленных предельно допустимых концентраций (ПДК) предусмотрена возможность визуализации данных в виде графика за любой временной период мониторинга объекта как по отдельному компоненту, так и общий. Для построения графика необходимо выбрать режим отображения данных (на карте или генплане объекта), временной диапазон, вещество, среду анализа и пункт (указателем «мыши» на карте). Для возможности отображения в виде тренда одновременно всех показателей пункта экологического мониторинга предусмотрено нормирование по значениям ПДК (рис. 1).

Для пунктов анализа вид и величина нормирования могут быть не одинаковы. В качестве величин нормирования в зависимости от среды, вида вещества и пункта анализа используются:

• предельно допустимая (максимальная) разовая концентрация;

00®

Точка: АСПК1; Среда: Воздух; с 01.01.2007 0:00:00 по 08.01.2007 0:00:00

■ Взвешенные вещества

■ Диоксид серы Оксид углерода

■ Диоксид азота Оксид азота Углеводороды

01.01.2007 02.01.2007 03.01.2007 04.01.2007 05.01.2007 06.01.2007 07.01.2007 08.01.2007

Время

Подписи

Г Л оказывать! С осьХ (• ось У

01.01.2007 20:00:00 0,102290322580645

Рис. 1. Построение тренда для пунктов экологического мониторинга:

110

№2(20)2009

• предельно допустимая среднесуточная концентрация;

• ориентировочно безопасный уровень воздействия (ОБУВ);

• аварийный предел воздействия (АПВ);

• относительные расчетные величины (индивидуальны для каждого источника выбросов на генплане).

Все величины нормирования всех анализируемых веществ для каждой среды хранятся в базе данных ИАЦ системы ПЭМ.

Визуализация пространственного распределения

Для пространственной визуализации распределения показателей разработана функция отображения данных по всем пунктам анализируемой среды в виде экологической карты.

Для построения области распределения данных экологического мониторинга, имеющих дискретный характер, необходимо предварительно рассчитать величины показателей, относящихся к каждому пункту экологического контроля. Автоматически данные анализируются за выбранный пользователем период и берутся максимальные или рассчитываются средние значения за период. Далее на карте или генплане объекта строится экологическая карта пространственного распределения параметров. По точкам анализируемой среды строятся триангуляции Делоне, и методом линейной интерполяции рассчитываются значения каждой точки внутри полученных триангуляцией треугольников [3], [4]. Границами построения растра являются граничные точки анализируемой среды. Раскраска растра (экологической карты) осуществляется в соответствии с настраиваемой цветовой шкалой. Функции настройки цветовой шкалы экологических карт:

• изменение прозрачности экологической карты;

• изменение предельных значений нормируемых величин, соответствующих каждому из цветов;

• изменение значений цветовых компонент, соответствующих предельным значениям величин;

Рис. 2. Пример непрозрачной экологической карты распределения данных на генплане

Рис. 3. Пример полупрозрачной карты распределения данных на топографической карте местности

111

АСПК-01

АСПК-05:

АСПК-06

сАСПК-09

.АСПК-07

АСПК-02:

?ЛК-03

|АСПК-08

^АСПК-11

№2(20)2009

• задание уровня величины, значения ниже которого не отображаются на карте;

• соответствие цвета пунктов анализа цветовой шкале в режиме полной прозрачности экологической карты.

На рис.2 представлен пример непрозрачной экологической карты распределения данных на генплане объекта по среде анализа «Почва». На рис.3 приведен пример полупрозрачной карты распределения данных на топографической карте местности по среде «Атмосферный воздух», «Только АСПК».

Изменение прозрачности растрового слоя экологической карты распределения расчетных данных предусмотрено для удобства работы, так как экологические карты отображаются поверх слоев топографической карты.

Для построения экологической карты необходимо, как и для графика, выбрать режим работы (карта или генплан), анализируемую среду, период, вещество, вид анализа. Если анализ проводится по всем веществам, то все они считаются однонаправленного действия и их вычисленные значения для каждой отдельной точки складываются. При общем анализе, т. е. при построении экологической карты по сумме всех показателей, можно также воспользоваться инструментом выбора значения максимальных за выбранное время анализа или вычисленных средних значений для каждой точки (пункта анализа).

Задание уровня визуализируемой величины предусматривает отображение на карте только тех областей, значения в которых превышают заданное. Именно эта функция позволяет отображать области, в которых значения превышают уровень ПДК, что особенно важно для выявления территорий экологического загрязнения в зонах защитных мероприятий (ЗЗМ).

Визуализация данных последствий возможных аварийных ситуаций

Результаты возможных аварийных ситуаций рассчитываются при моделировании системы ПЭМ. Отображаются в системе визуализации как результаты моделирования возможных аварийных ситуаций на объекте уничтожения химического оружия (УХО), так и при

транспортировке отравляющих веществ. Координаты возможных аварийных ситуаций можно задавать при моделировании введением координат в окно расчета, а также на карте в системе визуализации, пользуясь соответствующим инструментом. Текущие метеопараметры передаются автоматически из базы ИАЦ системы ПЭМ. Пример выбора параметров источника аварийной ситуации приведен на рис. 4.

Аварийное событие

I Пролив

з

Вещество

I Зарин

Тип поверхности | Бетон

Температура поверхности, С

[Тз

]30 Масса пролива, кг I™ Продолжительность выброса, мин

Рис. 4. Выбор параметров моделирования

Результаты моделирования представляют собой значения поля концентраций для точек расчетной зоны. Для построения экологической карты берутся только значения поля на высоте 2 м. Для визуализации расчетного поля в виде непрерывного растра применяется триангуляция Делоне на расчетной сетке поля и метод линейной интерполяции. Предусмотрены следующие режимы визуализации:

1. С использованием нормативов аварийных пределов воздействия (АПВ) отравляющих веществ для атмосферного воздуха населенных мест. Каждому значению АПВ сопоставлялся соответствующий цвет (рис. 5).

АПВ

у Использовать АПВ

менее 1 часа от 1 до 4 часов от 4 до 8 часов от 8 до 24 часов 24 часа и более

Рис. 5. Выбор параметров для визуализации с использованием значений АПВ

2. Разделение всей анализируемой территории на две зоны. Первая зона, в которой значения концентрации вещества превышают

112

№2(20)2009

а б в

Рис. 6. Пример визуализации результатов моделирования:

а) 10 мин действия аварийной ситуации, ветер северо-восточный 3 м/с; б) 20 мин действия той же аварийной ситуации, ветер восточный 5 м/с; в) 30 мин действия той же аварийной ситуации, ветер восточный 3 м/с

ориентировочный безопасный уровень воздействия (ОБУВ) для данного анализируемого вещества, вторая — значения концентрации не превышаютОБУВ. Цвета зон можно задавать в панели инструментов.

3. Предусмотрена возможность визуализации только тех зон, где значения концентрации вещества превышают заданный уровень ОБУВ. При этом уровень (значение) ОБУВ задается в режиме настройки цветовой шкалы.

4. Не предусматривает использование нормирования, а данные отображаются в соответствии с настройками цветовой шкалы.

При расчете поля концентраций выбирается периодичность отображения данных. При этом в каждый период времени предусмотрена возможность изменения параметров аварийной ситуации (АС) и метеоусловий. На рис. б приведена динамика распространения в атмосферном воздухе зарина в режиме полупрозрачного растра для аварийной ситуации (параметры — на рис. 4) с периодом отображения в 10 мин и использованием деления территории поля концентраций на зоны, соответствующие значениям АПВ. На рис. б а — первые 10 мин действия АС, ветер северо-восточный 3 м/с. На рис. 66 показан пример отображения поля концентраций 20 мин действия той же аварийной ситуации, ветер восточный 5 м/с. В следующий период моделирования (рис. бе) ветер восточный 3 м/с при действии той же аварийной ситуации в течение 30 мин.

Отображение метеопараметров

Отображение метеопараметров является одной из основных функций системы визуализации в системе производственного экологического мониторинга. Поэтому разработана функция выбора пункта, с которого будут отображаться параметры. Это могут быть как любой из АСПК, так и объектовая метеостанция. Метеопараметры можно визуализировать как в виде тренда, так и в виде экологической карты. В нашем случае текущие (последние) метеопараметры визуализированы на рис. 7.

Последние метеоданные

СПК-11 АСПК-11 (г. Щучье

Параметр [Значение | Дата Время

скорость ветра 2 м/с 01.01.2009 23:40:00

направление ветра 49 * 01.01.2009 23:40:00

атмосферное давление 78 гПа 01.01.2009 23:40:00

температура -15 Т 01.01.2009 23:40:00

относительная влажность 75 X 01.01.2009 23:40:00

осадки 10 мм/час 01.01.2009 23:40:00

Рис. 7. Отображение метеоданных в табличной форме

113

№2(20)2009

Предусмотрен контроль «актуальности» метеопараметров, т. е. контроль совпадения последней даты замера с предусмотренной периодичностью поступления метеоданных. Поскольку параметр направления ветра из базы ИАЦ поступает согласно нормативной документации как числовое значение и измеряется в градусах, то для наглядности направление ветра также отображается на рисунке в виде стрелки, показывающей направление ветра (рис. 7).

В ходе работы над системой визуализации данных экологического мониторинга были разработаны и программно реализованы:

• метод визуализации данных экологического мониторинга в виде тренда;

• метод визуализации данных экологического мониторинга ОУХО в виде экологической карты;

• метод визуализации результатов моделирования возможных аварийных ситуаций на УОХО и при транспортировке отравляющих веществ;

• метод отображения метеопараметров в виде тренда, экологической карты и таблицы;

проведены:

• изучение и выбор видов нормируемых величин для отображения нормированных параметров экологического мониторинга;

• тестирование разработанных средств и методов на реальных данных на объекте уничтожения химического оружия.

При всем многообразии методов отображения принципиальную роль играет используемое программное обеспечение, наличие или возможность создания электронных карт местности, состав и назначение системы, в которой используется визуализация экологических данных.

Необходимо отметить, что визуализация данных, их наглядное представление — это не просто картинка, а ключ к пониманию ситуации, ее анализу и дальнейшему принятию адекватных управленческих решений. Наглядность результатов экологического мониторинга позволяет не только увидеть динамику изменения данных по компонентам и средам во времени и пространстве, выявить отклонения от нормативных показателей экологической обстанов-

ки, но и определить направление изменения экологических показателей (прогноз), оценить эффективность проводимых природоохранных мероприятий и создать предпосылки для определения мер по исправлению создающихся негативных ситуаций.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. АвербухВ. Л. Разработка средств компьютерной визуализации для научных исследований И Сб. трудов Первой международной конференции «Трехмерная визуализация научной, технической и социальной реальности. Кластерные технологии моделирования». Ижевск: УдГУ, 2009.

2. МакаровВ., Пролеткин И., ЧумаченкоА. География и геоинформатика — совместный прорыв в XXI век (http:/gazeta.sgu.ru/16_1999/u5.htm).

3. Телегина М. В., Алексеев В. А., Янников И. М., Цапок М. В. Оперативная система мониторинга земель после аварий и катастроф / Вопросы современной науки и практики. Университет им. В. И. Вернадского. 2007. № 4.

4. Телегина М. В., Янников И. М., Евдокимовский В. В., Коробейников A.A. Применение ГИС-технологии в обеспечении безопасности объекта уничтожения химического оружия (ОУХО) / Материалы I Всероссийской научно-технической конференции «Современные информационные технологии в деятельности органов власти «ИНФОРТЕХ-2008». Курск, 2008.

5. Телегина М. В. Способы визуализации результатов экологического мониторинга // Тезисы докладов IV Научно-практической конференции «Научно-технические аспекты обеспечения безопасности при уничтожении, хранении и транспортировке химического оружия». Часть I. Технологические аспекты и проблемы промышленной безопасности при уничтожении,хранении и транспортировке химического оружия». Москва, 2008.

6. Толстых А. В., Воронин Б. Н., Назаров В. Д., Иванов К. Н., Король Е. Н. Основные элементы системы промышленного экологического мониторинга объекта уничтожения химического оружия в п. Горный Саратовской области И Федеральные и региональные проблемы уничтожения химического оружия: информационно-аналитический сб. Вып. 3. Москва, 2003.

114