Компьютерная технология построения комплексной модели геоэкологического состояния территории тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.35, кандидат технических наук Любимова, Анна Владимировна

• Любимова, Анна Владимировна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Любимова, Анна Владимировна

Введение.

Глава 1. Обзор существующих подходов к обработке и представлению информации в задачах геоэкологической оценки состояния территорий.

1.1. Основные тематические подходы к проведению геоэкологических исследований.

1.2. Методическое обеспечение геоэкологической оценки состояния территорий.

1.3. Способы проведения геоэкологического районирования территории.

1.4. Виды данных, используемые для решения геоэкологических задач.

1.5. Геоинформационные технологии, применяемые в геоэкологических исследованиях.

1.6. Основные направления исследований.

Глава 2. Методика построения комплексной модели геоэкологическогосостояния территории.

2.1. Целевое назначение методики и постановка задачи исследований.

2.2. Методические принципы описания геоэкологического состояния территории на основе построения компьютерной модели.

2.3. Формулирование модели.

2.3.1. Типы целевых установок геоэкологического районирования территории и системы их оценочных градаций.

2.3.2. Основные группы факторов, определяющих базовый состав модели.

2.3.3. Типизация ограничений, определяющих базовый состав модели.

2.4. Формализация модели.

2.4.1. Описание структуры модели.

2.4.2. Способы формализованного описания природных и техногенных процессов

2.4.3. Оценка значимости факторов модели.

2.5. Расчет модели.

2.5.1. Формальный анализ качества данных.

2.5.2. Способы проведения районирования территории в различных постановках задачи.

2.5.3. Методы формальной интерпретации результатов районирования.

Глава 3. Компьютерная технология построения комплексной модели геоэкологического состояния территории.

3.1. Назначение и возможности технологии.

3.2. Описание разработанного программно-технологического обеспечения.

3.2.1. Структура данных модели.

3.2.2. Аналитические функции.

3.2.3. Интерфейсный модуль.

3.2.4. Сервисные функции.

3.3. Описание компьютерной технологии построения комплексной геоэкологической модели территории.

Глава 4. Результаты апробации разработанной компьютерной технологии при решении задач комплексной оценки геоэкологического состояния территорий.

4.1. Оценка геоэкологических условий для планирования освоения минерально-сырьевой базы России.

4.2. Оценка геоэкологической ситуации нефтегазоносных территорий

Западной Сибири.

4.3. Модель экологического состояния острова Лонг-Айленд.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Компьютерная технология построения комплексной модели геоэкологического состояния территории»

Интенсивная разработка ресурсов недр - доминирующее в нашей стране направление природопользования - является источником серьезных негативных воздействий на окружающую среду осваиваемых регионов. Наиболее сильные изменения при этом испытывает геологическая среда. Она аккумулирует в себе основной объем загрязняющих веществ и механических нагрузок и передает его в остальные компоненты окружающей среды, таким образом во многом определяя общее экологическое состояние региона. Поэтому важным условием рационального недропользования является комплексная геоэкологическая оценка территории.

В задачу комплексной геоэкологической оценки территории входит анализ современного состояния геологической среды и прогноз возможных изменений в нем, провоцируемых антропогенной деятельностью. Очевидно, что получить строгое решение этой задачи, учитывающее весь комплекс взаимосвязей между природными и техногенными процессами на исследуемой территории, очень сложно - слишком широк спектр входящих в него переменных, и далеко не всегда известны математические функциональные зависимости, их связывающие. Сузить множество анализируемых параметров позволяет переход от реальной ситуации на исследуемой территории к ее геоэкологической модели - ограниченному набору факторов, определяющих свойства геологической среды и воздействия на нее и представляющих собой совокупность пространственных характеристик исследуемого участка поверхности Земли. В этом случае решение задачи может быть сведено к оценке интегральной картины проявления этих факторов с помощью районирования территории - разделения ее на области с определенным набором исходных факторов и ранжирования полученных объектов в зависимости от их значений. Интегральные аналитические карты, содержащие результаты районирования, являются обязательным этапом решения многих производственных задач (например, оценка эколого-геологических, геохимических условий, работы в рамках ОВОСа - оценки воздействия на окружающую среду при планировании объектов недропользования к освоению).

Научно-исследовательские работы в области геоэкологических исследований проводятся рядом ведущих институтов (ВСЕГИНГЕО, Гидроспецгеология, ИМГРЭ, МГУ, ВИЭМС, Аэрогеология, ВНИИгеосистем, и др.). В настоящее время хорошо проработана методология этого вопроса, созданы комплекты геоэкологических карт различной направленности и масштабов, опирающиеся на различные наборы оценочных критериев, приняты нормативные документы, содержащие методические рекомендации по проведению экологического картирования и регламентирующие состав основных анализируемых показателей.

Однако в технологической реализации этих задач до сих пор остаются определенные проблемы. Чисто информационный подход к геоэкологической модели как к набору карт на исследуемую территорию, используемый в настоящее время, не позволяет полностью учесть авторские модельные представления об анализируемой ситуации. Недостаточно проработанными остаются вопросы количественного описания исследуемых факторов и математический аппарат для их обработки. Стандартные геоинформационные системы, используемые в качестве программно-аналитического обеспечения исследовательских и производственных проектов, несмотря на широкий круг функциональных возможностей, требуют дополнительной адаптации к особенностям геоэкологических задач.

Актуальность проблемы, огромный объем информации по вышеперечисленным направлениям экологических исследований и высокий уровень современных информационных технологий, используемых в природопользовании, обуславливают необходимость создания единого методического подхода к формированию комплексной модели геоэкологического состояния территории и разработки новых технологических средств, обеспечивающих ее автоматизированное построение и компьютерный анализ входящих в нее факторов на основе алгоритмов многокритериального районирования.

Целью работы является разработка компьютерной геоинформационной технологии построения комплексной геоэкологической модели территории в задачах оценки и прогноза экологического состояния геологической среды.

Основные задачи исследований:

1. Провести обзор видов и особенностей представления геоэкологических данных, проанализировать существующие методические подходы к их обработке и определить место информационных технологий в их реализации.

2. Создать методику построения комплексной модели геоэкологического состояния территории на основе формализованного описания свойств геологической среды и воздействий на нее и их интегрирования методами многокритериального районирования.

3. Разработать технологию построения комплексной модели геоэкологического состояния территории и выполнить ее программную реализацию (алгоритмы обработки данных и пользовательский интерфейс).

4. Апробировать методику и программно-технологическое обеспечение на примере решения задач комплексной оценки геоэкологического состояния территорий, находящихся под интенсивным давлением горнодобывающего комплекса.

Научная новизна полученных результатов состоит в том, что

1. Впервые предложена обобщенная методика компьютерного построения комплексной геоэкологической модели территории на различных масштабных уровнях и для различных природных условий, основанная на типизации целевых функций, выделении основных групп факторов, их формализации и интегрировании методами многокритериального районирования.

2. Реализован экспертно-аналитический подход к анализу и интегрированию геоинформации, позволяющий автоматизировать процесс построения комплексной модели геоэкологического состояния территории в рамках компьютерной технологии.

3. Созданный единый пользовательский интерфейс, сопряженный с геоинформационной средой, обеспечивает построение иерархического дерева факторов модели, оценку значимости факторов и интервалов их значений, расчет формальных характеристик на основе векторных и растровых данных, проведение их интегральной оценки.

Практическая значимость проведенных исследований состоит в разработке программно-технологических средств, обеспечивающих автоматизацию построения геоэкологической модели исследуемой территории и проведение на ее основе районирования по комплексу природных и техногенных факторов, формулировании методических рекомендаций по применению этого подхода в задачах оценки экологических ситуаций и изучении состояния геологической среды на территориях с интенсивным развитием горнодобывающего комплекса.

Выполненные методические и программно-технологические разработки легли в основу проведения следующих научно-исследовательских проектов: создание комплекта электронных карт геоэкологических условий освоения минерально-сырьевой базы России, оценка геоэкологического состояния нефтегазоносных территорий (Ханты-Мансийский АО), разработка экологической модели острова Лонг-Айланд в рамках создания системы мониторинга состояния окружающей среды северо-восточного побережья США, построение геоэкологической модели при оценке состояния природных экосистем Пангодинской группы поднятий (Надым-Пурское междуречье).

Защищаемые положения:

1. Предлагаемая методика реализует все основные этапы формирования экспертной геоэкологической модели исследуемой территории и проведения на ее основе районирования по комплексу природных и техногенных факторов.

2. Разработанные с учетом специфики экологической информации программно-аналитические средства и пользовательский интерфейс, ориентированный на специалиста-предметника, обеспечивают построение комплексной модели геоэкологического состояния территории.

3. Разработанная компьютерная геоинформационная технология, обеспечивающая формализацию экспертных представлений об анализируемой территории и проведение многокритериального районирования, повышает эффективность оценки экологического состояния геологической среды.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержит 109 страниц машинописного текста, 46 иллюстраций. Список литературы включает 75 наименований.

Заключение диссертации по теме «Геоинформатика», Любимова, Анна Владимировна

Заключение

Комплекс проведенных научных исследований позволил обобщить существующие способы описания геоэкологического состояния территорий, используемые при решении задач природопользования и, в частности, освоения недр, в рамках единого методического подхода. В его основу положено формирование геоэкологической модели на основе типизации и формализации факторов, отражающих свойства геологической среды и воздействия на нее, и многокритериального районирования территории по комплексу пространственных характеристик.

На примере решения задачи комплексной оценки геоэкологической ситуации в регионах, находящихся под интенсивным воздействием горнопромышленного комплекса, разработана методика построения геоэкологической модели территории. При этом выделены основные масштабные уровни и задачи исследований, определены целевые установки для районирования и группы факторов, определяющих свойства геологической среды и комплекс природных и техногенных воздействий на нее в различных регионах России. Выделены основные способы формального описания природных и техногенных факторов с помощью набора количественных характеристик и качественных оценок, сформулированы способы их интегральной оценки для различных предметных постановок задачи районирования.

На базе предложенного методического подхода разработана компьютерная технология создания комплексной модели геоэкологического состояния территории, обеспечивающая: компьютерное представление экспертной модели геоэкологического состояния территории, включающее иерархическую структуру анализируемых групп факторов, их веса, а также систему оценочных градаций; расчет формальных характеристик проявления выбранных факторов в каждой ячейке территории в номинальной, количественной или ранговой шкалах; интегральную оценку вклада всех факторов, отражающую геоэкологическое состояние территории в соответствии с модельными представлениями исследователя.

Выполнена программная реализация разработанной технологии в виде интерфейсного модуля, сопряженного с ГИС-средой Разработаны необходимые аналитические и интерфейсные функции, обеспечивающие формирование и хранение структуры модели, задание весовых параметров и динамическую связь с ГИС. Стандартные возможности пространственного анализа ГИС-оболочки расширены дополнительными функциями для расчета формальных характеристик факторов модели и алгоритмами многокритериального районирования территории. Интерфейс пользователя ориентирован на специалиста-предметника и адаптирован к особенностям представления геоэкологических данных.

Проведена апробация разработанной методики и программно-технологических средств в рамках научно-исследовательских проектов совместно с ведущими научно-производственными организациями в области экологии недропользования. Созданные по материалам этих проектов информационно-аналитические системы могут служить реальным инструментом для информационной поддержки экологически обоснованного управления природопользованием.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Любимова, Анна Владимировна, 2004 год

1. Алгоритмическое и информационное обеспечение систем экоинформации Сб. научных трудов - Томск: Изд. филиала СО АН СССР 1989 г., с. 175

2. Безопасность жизнедеятельности. / Под ред. проф. Муравья J1.A. М.: Изд. ЮНИТИ-ДАНА, 2002 г.

3. Берлянд A.M. Образ пространства: карта и информация. М.: Мысль, 1986 г., с. 240

4. Браверман Э.М., Мучник И.Б. Структурные методы обработки эмпирических данных -М.: Наука, 1983 г., с. 464

5. Ванюшин В.А. Устойчивое развитие общества- М. 2002 г.

6. Введение в экологическое моделирование. / А.А. Цхай, М. Пулян и др.- Барнаул: «изд. Азбука» 2001 с. 315

7. Воробьев С.Н., Уткин В.Б., Балдин К.В. Управленческие решения М.: ООО «Издательство ЮНИТИ-ДАНА», 2003 г., с. 317

8. Воронин Ю.А. Теория классификации и ее приложения Новосибирск: Наука, 1984г. 231 с.

9. География из космоса. / В.П. Савиных, В.А. Малинников и др. М.: МГУГиК, 2000г., с.378

10. Геоинформатика. / Иванников А.Д., Кулагин В.П. и др. М.: МАКС Пресс, 2001 г., с.349

11. Геоэкологическое картографирование. Тезисы докл.Всерос.науч-практ.конф.24-27 февраля 1998 г.-Ч.1.-М.:ЗАО»Геоинформмарк», 1998.-c.164

12. Голицын М.С., Островский В.Н., Островский J1.A. Требования к геолого-экологическим исследованиям и картографированию. Масштабы 1:1000000- 1:500000 М.: ВСЕГИНГЕО, 1990 г., - 41 с.

13. Голицын М.С., Островский В.Н., Островский J1.A. Требования к геолого-экологическим исследованиям и картографированию. Масштабы 1:200000- 1:100000-М.: ВСЕГИНГЕО, 1990 г., 86 с.

14. Голицын М.С., Островский В.Н., Островский J1.A. Требования к геолого-экологическим исследованиям и картографированию. Масштабы 1:50000 1:25000 -М.: ВСЕГИНГЕО, 1990 г., - 127 с.

15. Голодковская Г.А., Куринов М.Б. Геоэкологическое картографирование: методологические основы, подходы, опыт реализации. // Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции «Геоэкологическое картографирование», 1998 г.

16. Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2003 г. М.: МПР, 2003 г

17. Дистанционное зондирование: количественный подход. / Под ред. Ф. Свейна, Ш. Девис М.: Недра, 1983.

18. Дистанционные методы в геоэкологии / А.Ю. Егоров, А.В. Миронова и др. // Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции «Геоэкологическое картографирование», 1998 г.

19. Зеркаль О.В., Маркарьян В.В. Изучение и прогноз экзогенных геологических процессов в составе государственного мониторинга состояния недр. // Материалы Всероссийской конференции «Риск 2003», т. I, - М.: Изд. РУДН, 2003 г., с. 416

20. Карта оценки экологического состояния геологической среды России. Объяснительная записка. / М.В. Кочетков, JI.A. Островский и др. М.: МПР РФ, 1998. - 62 с.

21. Клубов С.В., Прозоров J1.J1. Геоэкология: история, понятия, современное состояние — М., 1993

22. Комплексная экономическая оценка экологической ситуации и последствий освоения минеральных ресурсов / В.Н.Беляев, М.Н. Игнатьева и др. Екатеринбург, 1997 г.

23. Кочетков М.В., Грабовников В.А., Леоненко JT.B Современное состояние геоэкологического картографирования в России. // Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции «Геоэкологическое картографирование», 1998 г.

24. Критерии оценки экологической обстановки для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия

25. Кузнецов O.JI. Интегрированный системный анализ разнородной, многоуровенной информации // Комплексирование аэрокосмических, сейсмических, геохимических и скважинных геофизических методов при поисках и разведке нефти и газа. — М., 1986.

26. Кузнецов O.JL, Никитин А.А. Геоинформатика М.: Недра, 1992

27. Любимова А.В. Компьютерная технология комплексной оценки геоэкологического состояния территории. Геоинформатика №2, М. 2003 г

28. Любимова А.В. Компьютерное моделирование в задачах комплексной оценки экологического состояния территорий. // Тезисы докладов Международной конференции «Математическое моделирование природных экосистем» Казахстан, Алмата, 2003 г.

29. Майкл. Н. ДеМерс. Географические информационные системы. Основы М.: Изд. Дата+, 1999г.

30. Мандель И.Д. Кластерный анализ. -М.: Финансы и статистика, 1988 г., с. 176

31. Методические рекомендации по комплексному использованию геологической и геофизической информации для экологической оценки территорий / Р.Н. Юдина, Н.С. Паршков и др.- М.: ВНИИгеосистем, 1995

32. Миронов O.K. Математические методы обработки картографической информации для составления интегральных карт. // Материалы Всероссийской конференции «Риск -2003»), т. I, М.: Изд. РУДН, 2003 г., с. 416

33. Миронов O.K. Оптимальные балльные оценки для составления синтетических карт. -Геоэкология, №3,1999.

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

35. Муромцев Н.Н., Блохина Н.Н., Драчинская Э.С. Оценка гидрогеолого-мелиоративного состояния орошаемых земель Киев: «Урожай», 1991 г., с. 120

36. Мышкис А.Д. Элементы теории математических моделей М.: Физматлит, 1994 г., с. 192

37. Осипов В.И., Николаев А.В., Мироненко В.А. Геоэкология и устойчивое развитие // Тезисы докладов на III Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» -М., 1997

38. Основы промышленно-экологической безопасности объектов топливно-энергетического комплекса. Часть 3. Экологические требования к размещению объектов(недопустимые и неблагоприятные факторы)./ Гл. ред. А.Е. Евтушенко М.: МИНТОПЭНЕРГО России, 1997

39. Островский В.Н., Островский Л.А. Концептуальные вопросы геоэкологии. Отечественная геоэкология. 1993, №3, - с.97-102

40. Островский В.Н., Островский Л.А. Методические рекомендации по составлению эколого-геологических карт масштаба 1: 200000-1:100000. М.: ВСЕГИНГЕО, 1994 г. -61 с.

41. Островский В.Н., Островский Л.А., Шахнова Р.К. Методические рекомендации по составлению эколого-геологических карт масштаба 1:1000 000-1:500000. М.: ВСЕГИНГЕО, 1994 г. - 29 с.

42. Оценка и управление природными рисками // Материалы Всероссийской конференции «Риск-2003», т. 1, М.: изд. РУДН, 2003 г.

43. Прикладная информатика. / Сб. статей под ред. Савинкова В.М. М.: Финансы и статистика, 1988 г.

44. Прикладная статистика. Классификация и снижение размерности. / Справ, изд. под ред. проф. Айвазяна С.А. М.: Финансы и статистика, 1989 г., с.607

45. Принципы и методы картографирования геологической среды для экологических оценок тезисы докладов конференции, 27-29 сентября, Киев, 1994 г.

46. Проект экологической доктрины Российской федерации М.: МПР, 2002 г.

47. Прозоров Л.Л., Экзарьян В.Н. Введение в геоэкологию. М.: Пробел, 2000, с. 208

48. Саати Т., Керне К. Аналитическое планирование. Организация систем. М.: «Радио и связь», 1991 г., с.224

49. Солнцева Н.П. Добыча нефти и геохимия ландшафтов. М.: МГУ, 1998

50. Теория и методология экологической геологии / Трофимов В.Т. и др. М.: МГУ, 1997 г.

51. Трофимов В.Г., Зилинг Д.Г. Концептуальные основы эколого-геологического картографирования. // Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции «Геоэкологическое картографирование», 1998 г.

52. Уотермен Д. Руководство по экспертным системам. Пер. с англ. М.: Мир, 1989 г., с. 388

53. Факторный, дискриминантный и кластерный анализ. / Дж.-О.Ким и др., Пер. с англ. -М.: финансы и статистика, 1989 г., с. 215

54. Химмельблау Д. Анализ процессов статистическими методами. М.: Мир, 1989 г.

55. Циткритзис Д., Лоховски Ф. Модели данных. М.: Финансы и статистика, 1985 г.

56. Черемисина Е.Н., Воронин Ю.А. Новая технология распознавания образов в геологии. // Тезисы докладов конференции «Математические методы распознавания образов» с международным участием, посвященной 60-летию академика РАН Журавлева Ю.И., 1995 г.

57. Черемисина Е.Н., Митракова О.В. О возможностях ведения экологического мониторинга на основе интеграции пространственных и цифровых данных // Экологическая геофизика и геохимия. Москва-Дубна, 1998. - с. 130 - 132.

58. Черемисина Е.Н., Митракова О.В., Финкельштейн М.Я. ГИС ИНТЕГРО инструмент постановки и решения природопользовательских задач - ГИС-ассоциация, инф.бюллетень, №3 (15), 1998 г.

59. Чесалов Л.Е., Любимова А.В., Толмачева Е.Р. Цифровые атласы по геологическим и геоэкологическим данным Геоинформатика №3, М. 1999 г.

60. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем искусство и наука. - М.: Мир, 1978 г.

61. Экзарьян В.Н.Геоэкология и охрана окружающей среды. 1997 г

62. Экологическая доктрина Российской Федерации. М.: МПР Российской Федерации, 2002 г.

63. Экология России. Т.1. Европейская часть./Гл. редактор Вартанян Г.С. М.:ЗАО «Геоинформарк», 2000 г., с 300

64. Экология Севера: дистанционные методы изучения нарушенных экосистем (на примере Кольского полуострова). / Под. ред. Капицы А.П. и Риса У.Г. М.: Научный мир, 2003 г., с. 248

65. Якубович И.А. Создание геоэкологической модели освоения горнопромышленного района (на примере Магаданской области) Автореферат на соискание ученой степени доктора технических наук, спец. 25.00.36. Геоинформатика - М. 2003

66. Clark К.С. Analytical and computer cartography. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1990

67. Environmental Systems Research Institute. Learning GIS, The ARC/INFO Methods. -Redlands, С A: ESRI, 1993

68. Environmental Systems Research Institute. Modeling Our World, The ESRI Guide to Geodatabase Design. Redlands, CA: ESRI, 1992

69. Environmental Systems Research Institute. Understanding GIS, The ARC/INFO Methods. -Redlands, CA: ESRI, 1992