Геоинформационное обеспечение систем мониторинга

Лекция 9. Обработки и анализ экологической и экономической информации в системах мониторинга

Вопросы

1. Геоинформационное обеспечение систем мониторинга
2. Использование систем анализа эколого-экономической информации
3. Решение задачи анализа и прогноза экологической обстановки. Разработка альтернативных градостроительных вариантов
4. Прогнозирование в системах мониторинга. Разработка корректирующих мероприятий и программ.

На среднем уровне экологической информационной системы для географического анализа информации о состоянии окружающей среды используются географические информационные системы (ГИС). Подобные системы, обеспечивая обработку, анализ и визуализацию пространственно - распределенной информации (природно - ресурсной, экологической, правовой и социально-экономической, статистической и др.) о территории, позволяют обеспечить пользование электронными картографическими фондами региона, систематизировать и усовершенствовать учет и оценку природных ресурсов, организацию комплексного экологического мониторинга, выдачу необходимой информации для управления всем природным комплексом, реализуя опыт, накопленный специалистами в этих областях.

Глобальная база данных о ресурсах (Global Resources Information Database GRID)

В связи с ростом количества данных, накопленных в ЮНЕП, и потребностью для их пользователей иметь доступ к упорядоченным и комплексным базам адекватных по качеству данных в рамках ЮНЕП была предпринята деятельность по созданию географической информационной системы (ГИС) на базе современной вычислительной техники.

Для решения экологических проблем получили широкое использование географические информационные системы (ГИС), в развитии которых выявились несколько тенденций. Во-первых, резкий рост ГИС на персональных ЭВМ (ожидается до 1 млн. пользователей ГИС к 2000 г.). Во-вторых, переход на крупные и связанные в сети (международные и глобальные) ГИС часто с теледоступом. В-третьих, переход на создание глобальных бaз данных типа Глобальной базы данных о ресурсах (ГРИД). Моделирование с использованием ГИС помогает решать экологическими проблемы. Некоторые модели стали включать экономический анализ, динамические модели экосистем увязываются с ГИС. Ожидается, что такие комплексные модели будут иметь будущее для решения экологических проблем, что возможно позволит лучше оценить воздействие человека на природные системы. Причем происходит переход на включение ГИС в Системы поддержки принятия решений совместно с использованием экспертных систем. В долгосрочном плане ГИС намечается связывать с системой глобального местоположения для привязки к географическим координатам и выходом на спутниковые системы сбора данных. Кроме того, ГИС можно будет также использовать в микромасштабах (Например, для учета поселений термитов). Так как многие крупные экологические проблемы связаны с множеством изменений в «микроэкосистемах», учет последних в ГИС может помочь лучше понять фундаментальные биологические процессы и понимать такие проблемы, как рост концентрации углекислого газа в атмосфере, последствия кислотных осадков и т. п..

ГРИД, разработка которой началась в 1985 г., является ведущей программой по управлению данными в ГСМОС. Она предназначена для облегчения получения, особенно развивающимся странам, основных данных об окружающей среде — о почвах, лесах, гидрологических процессами, растительности, землепользования, климате и загрязнении для их использования в принятии решений.

ГРИД представляет собой компьютерную систему, которая организует, анализирует и хранит данные об ОС, собранные из различных источников, и превращает их в информацию, которую можно использовать для принятия решений в области природопользования. Программное обеспечение ГРИД использует географическое местоположение в качестве центрального связующего звена, интегрируя данные из различных источников для представления информации в виде карт и изображений на экране ЭВМ. ГРИД позволяет не только описать концентрации и распределение ресурсов, но и сделать анализ взаимодействия большого числа экологических переменных. Среди них политические и природные границы, высота над уровнем моря, почвы, растительность, осадки, погодные аномалии, концентрация озона, плотность населения, находящиеся под угрозой виды животных и растений, заповедные территории и т. п.

Основные функции ГРИД состоят в сборе, состыковке, анализе данных и их представлении в виде, удобном для принимающих решения. Методика сбора данных даже при использовании современных спутниковых средств включает традиционные способы в качестве дополнительных. Так, мониторинг ресурсов осуществляется с использованием спутников, самолетов и наземных средств. Важное значение имеет разрешающая способность той или иной методологии оценки данных. Трехъярусный подход к сбору данных является не только взаимодополняющим, но служит видом контроля качества информации на одном уровне с данными других уровней. Так как изменение отражающей способности участков суши с различным наклоном и высотой приводит к различным спектральным изображениям, смешанные экосистемы залесенных лугов и возвышенностей требует дополнительных данных наземных наблюдений для расшифровки спутниковых изображений. Кроме того, состояние некоторых экосистем может быть выявлено только при наличии мелких данных об их составных частях. Такие детали, как свойства почвы, перечни видов флоры и фауны, скорость прироста растительного покрова и микроклимат выявляются наземными средствами [8].

Базы данных ГРИД также включают данные по антропогенной деятельности, такие как размещение торговых центров, распределение линий связи и число автомобилей на душу населения. Эта социо-экономическая информация и статистические данные материального мира наряду с информацией о природных объектах предназначены для выявления негативного воздействия человека на окружающую среду. Кроме того, в базы данных ГРИД вводится имеющаяся информация из других источников для проведения сравнительных исследований.

Для сбора данных космическими средствами используются американские спутники системы Landsat, оборудованные многоспектральными сканирующими устройствами и тематическим картографом с разрешающей способностью 80x60 м и 30x30 м соответственно. Использование французского спутника позволит довести разрешающую способность до 10 м. Кроме того, сбор данных проводится с использованием самолетов и наземных средств.

Собранные таким образом данные находятся в базах данных в различных странах. ГРИД подключается прежде всего ко всем источникам экологической информации, которые входят в ГСМОС. Одна из задач ГРИД состоит в том, чтобы обнаружить имеющиеся пробелы в существующих базах данных. Для всех видов экологических оценок нужны базовые данные. Прежде всего это базовая карта мира в качестве географической привязки всех экологических процессов. На картах наносится информация по таким компонентам, как почвы, растительность, виды растений и животных. Основным методом для интегрирования данных в системе используется метод наложения карт. Например, на базовую физическую карту накладываются карты почв, водных ресурсов, растительного покрова, популяций животных, человеческих поселений.

Важное место в ГРИД занимает анализ и обработка данных. Как и большинство географических информационных систем с использованием ЭВМ, ГРИД содержит их основные черты: сбор данных, их хранение и выборка, анализ, вывод данных и их наглядное представление.

Сбор данных включает их введение в ЭВМ и упорядоченное помещение в ее память. Данные в ГРИД являются географически привязанными. Поэтому программное обеспечение обеспечивает такую увязку каждого элемента данных с его положением (координатами) на поверхности Земли. Данные хранятся как географически (координатно) привязанные точки. Однако эти точки с помощью.программного обеспечения организованы в виде просто точек или линий и площадей. Например, осадки и дома представляются в виде точек. Линейные данные, такие как дороги и реки, хранятся и представляются в виде последовательности точек, а площадные данные имеют точки, определяющие их периметр. Программное обеспечение подготовлено для территорий любой формы — от однородных полей пшеницы Большой американской равнины до сложных норвежских фиордов.

Система хранения данных включает учет их характеристик. Каждая точка (линия, площадь) имеет реальное описание: например, точка через различные уровни ежедневных осадков, река— через рыбные запасы, турбулентность или скорость ее течения. Выборка информации может быть сделана по различным факторам. Например, все озера Гамбии, все пруды и водохранилища; те из них, которые находятся в 10 км от основной дороги, содержат определенный вид рыбы, имеют повышенную кислотность воды и т. п. Данные могут выбираться целиком или частично для получения графиков, таблиц и карт для рассмотрения соответствующей экологической ситуации. Используются два основных метода анализа данных: их графическое наложение и применение статистики. Например, при изучении эрозии почвы ГРИД дает возможность сравнить степень эрозии с качеством почвы, поверхностным стоком вод, температурой, расположением населенных пунктов или распределением домашних животных путем графического наложения этих данных последовательно или всех одновременно. Количество данных может быть велико, но их статистический учет помогает выявить корреляции и возможные причины эрозии.

Потенциальные возможности ГРИД можно проиллюстрировать следующими тремя примерами.

В 1980 г. ЮНЕП совместно с ФАО опубликовал оценку состояния тропических лесов. ГРИД может выполнять на ее основе три функции: инвентаризацию лесов, мониторинг и моделирование. Во-первых, состояние; лесов было проинвентаризовано в 76 странах. Во-вторых, там, где имелись данные, были выявлены и отслежены источники обезлесения для получения темпов потери лесов на национальном и глобальном уровнях. В третьих, эти темпы использовались для грубых прогнозных оценок того, что к концу этого столетия останется 88 % лесов. С помощью ГРИД можно выполнять более обоснованные оценки на регулярной основе, используя более точные и обширные данные.

С помощью ГРИД можно получать почвенные карты мира с масштабом 1: 1 млн. Кроме того, используя высокоразрешающий радиометр и данные Лэндсата, можно выявлять появление саранчи, которая начинает свое разрушительное путешествие из относительно небольшой территории, но простирающейся на территории около 16 млн. км² в поясе от Мавритании до северо-западной части Индии. Однако' благоприятные условия для ее возникновения — кладка самок саранчи происходит в песчаную, влажную почву, а молодая саранча появляется, когда растительность еще свежая и зеленая — создаются примерно на 4% этой территории, и их практически невозможно выявить наземными и авиационными средствами. В то же' время радиометр позволяет выявить места потенциального появления молоди саранчи, обнаруживая территории с цветением растительности, которые затем уточняются наземными 'обследованиями. При этом появляется возможность избавиться от саранчи в начальной стадии и использовать меньшее количество пестицидов, чем в случае последующих площадных обрызгиваний.

Таким образом, в рамках ГРИД при оценке выполняются следующие задачи: предоставление данных (например, о численности слонов на юге Кении), инвентаризация данных (например, совершенствование данных по глобальному состоянию почв), выдача сводных данных (например, периодическая оценка состояния загрязнения окружающей среды), мониторинг изменений в окружающей среде (например, доклады об изменении лесного по- крова). При выполнении анализа данных ГРИД: вспомогательная поддержка для исследований (например, анализ причин обезлесения), прогнозирование (например, прогноз нашествия саранчи или изменения климата), совершенствование хозяйствования (например, принятие решения о перемещении скота в подверженных засухе районах), разработка экологической политики (например, проверка эффективности альтернатив экологической политики), предоставление помощи развивающимся странам (например, вы- явление областей, в которых следует оказать помощь), оценка проектов (например, анализ воздействия на окружающую среду ирригации в аридной местности).

ГРИД представляет собой распределенную систему с центрами, соединенными между собой линиями телесвязи. На начальной стадии созданы центр управления в ЮНЕП (Кения) и центр обработки данных в Женевском университете (Швейцария). За- тем был открыт центр ГРИД в Таиланде (г. Бангкок), в августе 1989 г.— в Норвегии (г. Арендал).

В конце 1988 г. компания IBN предоставила бесплатно ЮНЕП для ГРИД оборудование на сумму 65 млн долл. США: ЭВМ тина IBN 4381 Model 24, связанную с устройствами памяти типа 3380, три микрокомпьютера IВМ 6150, две ПЭВМ IBM Per- sonal System/2 Model 80, 12 терминалов и 5 графопостроителей для центра ГРИД в Женеве, в том числе две графические системы IBM 5080 из графического процессора IBN 5085 Model 2А с цветным видеоустройством 5081 и терминалом 3192 [8]. Центр ГРИД в Женеве имеет выход в Европейскую сеть академических исследований (European Academic Research Network — EARN), базу данных Центра космических полетов им. Годдарда (США) и аналогичным центром в г. Фраскати (Италия).

Оборудование для ГРИД в Найроби включает: ЭВМ IBM 9370 Model 90, внешние запоминающие устройства, графопостроители и два ПЭВМ IBM Personal System/2 Model 80. Кроме того, компания IBM поставила 80 ПЭВМ типа Personal System/2 Model 80 в 15 африканских стран и 3 европейских института, сотрудничающих с ЮНЕП по системе ГРИД [9].

ГРИД участвует в совместном проекте с Национальным центром геофизических данных США и Мировым центром данных А (CIII® по проекту, интегрирующему глобальные базы данных на основе географических информационных систем (ГИС). В этом же проекте участвует Кларкский университет (США) со своей ГИС (IDRISI). Начальная стадия этого проекта выполняется совместно с Международной геосферно-биосферной программой (МГБП) и направлена на сбор данных на африканском континенте, включая индекс растительности, высоту над уровнем моря, показатели суши (водоемы, урбанизация и т.п.), классификацию почв, температуру, осадки, классификацию экосистем, землепользования и состояния суши, политические границы, береговые лицин, реки [10].

В настоящее время ГРИД использует программное обеспечение компании IВМ на структурном языке SQL (Structural Query Language) и генератор программ компьютерной графики (Graphics Program Generator — GPG).

После введения системы ГРИД в оперативную стадию ожидается, что поступаемые на ее вход из ГСМОС и других источников. данные будут использоваться в ГСМОС для оценки экологического риска изменений в окружающей среде.

Дата добавления: 2014-12-23