Экспертная система REGION как инструмент экологической оценки состояния территорий разного масштаба тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.16, кандидат биологических наук Костина, Наталья Викторовна

• Костина, Наталья Викторовна
• кандидат биологических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Костина, Наталья Викторовна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ТЕРРИТОРИИ И РОЛЬ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ.

1.1. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ.

1.2. РОЛЬ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ В МОНИТОРИНГЕ.

1.3. ЗАДАЧИ И ФУНКЦИИ ЭКОЛОГО-ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ.

1.4. БАЗЫ ДАННЫХ И ПРИМЕРЫ СИСТЕМ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ РАЗНЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ.

1.5. ОТОБРАЖЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ.

1.5.1. Построение комплексных показателей.

1.6. ОБОБЩЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ.

1.6.1. Методы искусственного интеллекта.

1.6.2 Методы снижения размерности исходной информации.

1.6.3. Моделирование связей.

Глава 2. КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ

ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ REGION.

2.1. ФОРМАЛИЗАЦИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ОПИСАНИЯ ТЕРРИТОРИИ.

2.2. ОТБОР И ПОДГОТОВКА ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ВВОДА В БАЗУ ДАННЫХ.

2.3. СХЕМА БАЗЫ ДАННЫХ.

2.4. АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ.

2.4.1. Нормирование исходных данных.

2.4.2. Методы получения комплексных показателей.

2.4.3. Методы классификации и редукции данных.

2.4.4. Моделирование связей.

2.5. СХЕМА ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ.

Глава 3. НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ REGION НА ПРИМЕРЕ ВОЛЖСКОГО БАССЕЙНА.

3.1. ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ.

3.2. РЕЗУЛЬТАТЫ КЛАСТЕРНОГО И ФАКТОРНОГО АНАЛИЗОВ.

3.3. РЕГРЕССИОННЫЕ МОДЕЛИ.

Глава 4. НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ REGION НА ПРИМЕРЕ САМАРСКОЙ ОБЛАСТИ.

4.1. ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ.

4.2. ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ПО РЕДКИМ ВИДАМ РАСТИТЕЛЬНОСТИ.

4.3. ОЦЕНКА ЗАБОЛЕВАЕМОСТИ НАСЕЛЕНИЯ.

4.4. РЕГРЕССИОННЫЕ МОДЕЛИ.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспертная система REGION как инструмент экологической оценки состояния территорий разного масштаба»

Актуальность темы исследования. Любое исследование, направленное на решение прикладных задач экологии, должно опираться на систему получения постоянной, достоверной и первично обработанной информации. Таким образом, переход от эмпирических оценок к научно обоснованным методам принятия экологически верных решений лежит через создание системы экологического мониторинга - наблюдений и экспериментов, ориентированных на оценку и прогноз состояния окружающей природной среды, находящейся под антропогенным воздействием. При этом целью мониторинга является не пассивная констатация фактов, а соответствующая обработка поступающей информации, автоматизация экологических наблюдений, оценка "меры диссонанса" данной экосистемы от эталонной (не нарушенной или используемой разумно, без ущерба для нее) и, как результат, обеспечение основных направлений инженерной экологии: прогнозирование, принятие эколого-инженерных решений и выдача рекомендаций.

Развитие представлений о средствах и способах решения информационных задач привели к появлению геоинформационных (ГИС) и экоинформаци-онных систем (ЭИС), которые обеспечивают хранение и оперативный доступ к совокупности данных и знаний об экосистемах, о взаимодействии природы и общества. Такие системы предназначены как для решения задач рационального природопользования в регионе, так и для обеспечения разнообразной экологической информацией всевозможных потребителей. Поэтому очень важно на этапе формирования массивов информации обеспечить их унификацию. Это позволит создавать ГИС и ЭИС не только для отдельных административно-территориальных единиц, но и для целых бассейнов или природно-климатических зон.

Цель и задачи работы. Цель выполненного исследования - разработать методологию и построить работоспособную экспертную систему, основанную на пространственно распределенной эколого-экономической информации и ориентированную на экологическую оценку состояния территорий разного масштаба.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Провести анализ современного состояния роли информационных систем в экологическом мониторинге.

2. Осуществить формализацию пространственного описания территорий разного масштаба.

3. Разработать систему отбора и подготовки информации для ввода в базы данных экспертной системы.

4. Предложить и формализовать алгоритмы обработки пространственно распределенной эколого-экономической информации.

5. Продемонстрировать работоспособность экспертной системы REGION на примере оценки экологического состояния Волжского бассейна и Самарской области.

Научная новизна работы заключается в разработке методов обработки большого объема разноплановой экологической информации, представленной в различных единицах измерения (разных шкалах), в построении комплексных показателей, характеризующих экологическое состояние территории, в разработке системы синтеза экологических предикторов, позволяющих прогнозировать пространственное и временное изменение параметров исследуемых экосистем.

Практическая ценность работы заключается в использовании разработанной экспертной системы для экологического анализа территорий разного масштаба (Волжский бассейн, Самарская, Саратовская, Ульяновская области, Республика Татарстан, г. Тольятти и др.).

Реализация результатов исследования. Результаты экологической оценки территории и прогнозирования изменения параметров вошли составной частью в Федеральные целевые программы "Оздоровление экологической обстановки на р. Волге и ее притоках, восстановление и предотвращение деградации природных комплексов Волжского бассейна ("Возрождение Волги")" и "Социально-экологическая реабилитация территории и здоровья населения Самарской области". Экспертная система REGION используется в учебном процессе в Самарском государственном университете и Волжском университете им. В.Н. Татищева (г. Тольятти).

Связь темы диссертации с плановыми исследованиями. Работа выполнялась в рамках тем НИР ИЭВБ РАН "Комплексный анализ экосистем разного масштаба (страна - бассейн реки - область - город) с целью достижения устойчивого развития" (№ ГР 01.9.70001498) и "Оптимизация системы эколого-экономических параметров устойчивого развития территорий Среднего Поволжья" (№ ГР 01.2.00104638).

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Предложена оригинальная методология построения экспертной системы REGION для оценки экологического состояния территорий разного масштаба.

2. Информационно-математическое обеспечение экспертной системы REGION позволяет осуществлять комплексную обработку пространственно распределенных данных.

3. С помощью экспертной системы REGION на примере Волжского бассейна и Самарской области получены результаты оценки и прогнозирования состояния экосистем.

Вклад автора в разработку проблемы. Автор участвовал в разработке методологии построения экспертной системы REGION, сборе эколого-экономической информации по разным территориям, лично разработал математическое обеспечение этой экспертной системы, провел все расчеты и интерпретировал результаты для территорий Волжского бассейна и Самарской области. Доля личного участия автора в совместных публикациях пропорциональна числу авторов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 10 научных конференциях и совещаниях:

- Simulation of Systems in Biology and Medicine (Prague, Chechoslovakia, 1990);

- Всесоюзная конференция "Оценка воздействия хозяйственной деятельности на окружающую среду" (Москва, 1990);

- Всесоюзный симпозиум "Комплексный мониторинг, оптимизация и прогноз состояния природной среды" (Тверь, 1991);

- Международный форум "Информатика на службе экологии и здоровья" (Тольятти, 1991);

- Всесоюзная научно-практическая конференция "Проблемы и перспективы развития Поволжья в условиях перехода к рыночной экономике" (Самара, 1991);

- Международное рабочее совещание " Экологические основы оптимизации урбанизированной и рекреационной среды" (Тольятти, 1994);

- Всероссийская научно-практическая конференция "Окружающая среда и здоровье" (Пенза, 2004);

- Научная конференция "Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики" (Тольятти, 2004);

- Международная научно-практическая конференция "Актуальные проблемы современного социально-экономического развития: образование, наука, производство" (Самара, 2004);

- XXXII школа-семинар "Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования" (п. Дюрсо Краснодарского края, 2004).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 20 печатных работ и одна в Интернете.

Структура и объем работы. Работа изложена на 145 страницах текста, состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов, списка цитированной литературы (156 наименований, в том числе 23 на иностранных языках) и 2 приложений. Работа иллюстрирована 40 рисунками и 15 таблицами.

Заключение диссертации по теме «Экология», Костина, Наталья Викторовна

вьюоды

1. Предложена методология построения экспертной системы для анализа экологического состояния территорий разного масштаба, основанная на базе пространственно распределенных эколого-экономических данных и системе синтеза экологических предикторов, позволяющих прогнозировать пространственное и временное изменение параметров экосистем исследуемых территорий.

2. Построена экспертная система REGION, позволяющая формализовать пространственное описание территорий разного масштаба, реализующая отбор, подготовку информации для ввода в базы данных экспертной системы и визуализацию получаемых результатов.

3. Разработана и реализована система информационно-статистической обработки пространственно распределенной эколого-экономической информации для целей экологического прогнозирования.

4. На примере оценки экологического состояния и прогноза некоторых параметров экосистем для территорий Волжского бассейна и Самарской области продемонстрирована хорошая работоспособность экспертной системы REGION.

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Костина, Наталья Викторовна, 2004 год

1. Айвазян С.А., Буштабер В.М., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика. Классификация и снижение размерностей. - М.: Финансы и статистика, 1989. - 607 с.

2. Айвазян С.А., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика: Исследование зависимостей: Справочник. М.: Финансы и статистика, 1995. -182 с.

3. Арманд А.Д. Информационные модели природных комплексов. М.: Наука, 1990.- 128 с.

4. База эколого-экономических данных крупного региона (Методическое пособие). Тольятти: ИЭВБ РАН, 1991. - 62 с.

5. Баклицкий В.К., Баклицкий К.А. Анализ методов получения и обработки экологической информации: Сборник научно-технических статей. М.: Изд-во ЦНТИ "Информсвязь", 2000. - С. 41-62.

6. Белолипецкий В.М., Шокин Ю.И. Математическое моделирование в задачах охраны окружающей среды. Новосибирск: Изд-во ИНФОЛИО-пресс, 1997.-240 с.

7. Богатырев Л.Г., Макаров О.А., Семенюк О.В., Матышак Г.В. О некоторых тенденциях в изучении биосферы // Экология. 2004. - № 1. - С.3-12.

8. Брусиловский П.М., Розенберг Г.С. Модельный штурм при исследовании экологических систем // Журн. общ. биол. 1983. - Т. 44, № 2. - С. 266-274.

9. Вадзинский Р.Н. Справочник по вероятностным распределениям. СПб.: Наука, 2001.-295 с.

10. Веселовский А.В., Никитин А.Н. Использование технологии географических информационных систем для экологического мониторинга Московской области // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов / ВИНИТИ. -2003. -№ 1.-С. 38-48.

11. Воробьева Т.И., Красильников Е.А., Поливанов B.C., Фадеева И.В. Опыт разработки ГИС экологии города // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов / ВИНИТИ. 1999. - № 6. - С. 41-49.

12. Гаскаров В.Д., Истомин Е.П., Фролов А.К. Информационная поддержка систем экологического контроля и управления. СПб., 1999. - 235 с.

13. Геоинформационные и геоэкологические исследования в странах СНГ / Под ред. Н.Ф. Глазовского. М.: ГЕОС, 1999. - 140 с.

14. Горбань А.Н., Россиев Д.А. Нейронные сети на персональном компьютере. Новосибирск: Наука, 1996. - 276 с.

15. Горчаковский П.Л., Никонова Н.Н., Фамелис Т.В. Фитоэкологическая карта как средство оценки состояния и антропогенной трансформации растительного покрова // Экология. 2000. - № 6. - С. 411-418.

16. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Самарской области в 1998 году. Экологическая безопасность и устойчивое развитие Самарской области. Вып. 8. Самара, 1999. - 101 с.

17. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Самарской области в 1999 году. Экологическая безопасность и устойчивое развитие Самарской области. Вып. 9. Самара, 2000. - 150 с.

18. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Самарской области в 2000 году. Экологическая безопасность и устойчивое развитие Самарской области. Вып. 11.- Самара, 2001. 193 с.

19. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Самарской области в 2001 году. Экологическая безопасность и устойчивое развитие Самарской области. Вып. 12. Самара, 2002. - 231 с.

20. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Самарской области в 2002 году. Экологическая безопасность и устойчивое развитие Самарской области. Вып. 13. Самара, 2003. - 186 с.

21. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Самарской области в 2003 году. Экологическая безопасность и устойчивое развитие Самарской области. Вып. 14. Самара, 2004. - 216 с.9

22. Грачев Н.С., Демьянов В.В., Каневский М.Ф. Анализ данных по окружающей среде при помощи нейронных сетей с обобщенной регрессией и геостатистики / Препринт РАН (Ин-т пробл. безопас. развития атом, энергии). -1999.-№99-07.-С. 2-39.

23. Дейвисон М. Многомерное шкалирование. Методы наглядного представления данных. М.: Финансы и статистика, 1988. - 348 с.

24. Деревья классификации: Электронный учебник по статистике. -htpp ://www.statsoft .ru/houm/

25. Джексон П. Введение в экспертные системы. М: "Вильяме", 2001.

26. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ: В 2 кн. М.: Финансы и статистика, 1986-1987. Кн. 1. - 1986. - 366 е.; Кн. 2. - 1987. - 351 с.

27. Ежов А.А., Шумскнй С.А. Нейрокомпьютинг и его применение в экономике и бизнесе. М., 1998. - 222 с.

28. Закруцкий В.Е., Рышков М.М., Кизицкий М.И. и др. Экологический атлас Ростовской области: структура, содержание и методика оценки ситуации // Изв. РАН. Сер. геогр. 1999. - № 1. - С. 88-95.

29. Ивахненко А.Г. Долгосрочное прогнозирование и управление сложными системами. Киев: Техника, 1975. - 312 с.

30. Ивахненко А.Г., Коииа Ю.В., Горшков А.Н. Синтез комбинированной • модели поля загрязнения атмосферы города по экспериментальным данным //

31. Автоматика. 1984. - № 6. - С. 21-29.

32. Израэль Ю.А. Допустимая антропогенная нагрузка на окружающую природную среду // Тр. II сов.-амер. симпоз. "Всесторонний анализ окружающей природной среды". Л.: Гидрометеоиздат, 1976. - С. 12-19.

33. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. М.: Гидрометеоиздат, 1984. - 560 с.

34. Ким Дж.О., Мьеллер Ч.У., Клекка У.Р. и др. Факторный, димкриминант-ный и кластерный анализ. М.: Финансы и статистика, 1989. - 215 с.

35. Кирсанов А.А. Использование интегрированных ГИС при геоэкологических исследованиях и картографировании // Геодезия и картография. 1999. - № 9. - С. 38-44.

36. Киселенко А. Введение в экспертные системы (обзор). http://www.ib.komisc.rU/t/ru/ir/vt/00-33/02.html. 10.05.2001.

37. Клюев Н.Н., Петрова И.Ф. Опыт картографического обеспечения экологической безопасности Курской области // Проблемы региональной экологии. -1998.-№ 1.-С. 69-80.

38. Колдоба А.В., Повещенко Ю.А., Самарская Е.А., Тишкин В.Ф. Методы математического моделирования окружающей среды. М.: Наука, 2000. - 254 с.

39. Коломыц Э.Г. Региональная модель глобальных изменений природной среды. М.: Наука, 2003. - 371 с.

40. Коршунов Ю.М. Математические основы кибернетики. М., 1995. - 325 с.

41. Костина Н.В. Эколого-информационная система большого региона как основа экологического мониторинга // Региональный экологический мониторинг в целях управления биологическими ресурсами. Тольятти: ИЭВБ РАН, 2003. -С. 152-158.

42. Костина Н.В., Пыршева М.В. Система "Здоровье населения окружающая среда" в региональном аспекте // Окружающая среда и здоровье: Сб. материалов Всерос. науч.-практ. конф. - Пенза, 2004. - С. 94-96.

43. Костина Н.В., Розенберг Г.С. Здоровье среды: оценки риска и экологическое воспитание, образование и просвещение населения // Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики: Тез. докл. науч. конф. Часть 1. -Тольятти, 2004. С. 32-36.

44. Костина Н.В., Розенберг Г.С., Шитиков В.К. Экспертная система экологического состояния бассейна крупной реки // Изв. Самар. НЦ РАН. 2003. - Т. 5, № 2. - С. 287-294.

45. Котова Т.В., Микляева И.М., Огуреева Г.Н., Суслова Е.Г., Швергунова

46. JI.B. Опыт картографирования экологического состояния растительного покрова // Экология. 2000. - № 5. - С. 349-354.

47. Кочетков М.В., Черемисина Е.Н., Митракова О.В., Любимова А.В. Моделирование состояния природных экосистем для экологического мониторинга территорий // Геоинформатика. 2001. - № 3. - С. 90-94.

48. Кошкарев А.В., Каракин В.П. Региональные геоинформационные системы. -М.: Наука, 1987.- 126 с.

49. Крапивин В.Ф. О теории живучести сложных систем. М.: Наука, 1978. - 248 с.53.54,55,56.57,5859,60