Применение информационных технологий в решении экологических проблем

Возрастающие масштабы взаимодействия природы и человека, явления неразумной эксплуатации природных ресурсов, техногенной нарушенности и промышленного загрязнения приводят к значительному ухудшению состояния природной среды

ВНИМАНИЕ! Работа на этой странице представлена для Вашего ознакомления в текстовом (сокращенном) виде. Для того, чтобы получить полностью оформленную работу в формате Word, со всеми сносками, таблицами, рисунками (вместо pic), графиками, приложениями, списком литературы и т.д., необходимо скачать работу.

Содержание

Введение………………………….……………………….……………….……3
1. Инструментальные системы и языки программирования…………….…..4
2. Создание комплексных сред обработки экологических данных……….…6
Заключение…………………….……………………….………………………14
Список литературы………….……………………….………………………...15

Введение

Возрастающие масштабы взаимодействия природы и человека, явления неразумной эксплуатации природных ресурсов, техногенной нарушенности и промышленного загрязнения приводят к значительному ухудшению состояния природной среды, условий жизнедеятельности людей и их здоровья.
Важность решения экологических проблем признается всеми, однако до настоящего времени работы по использованию информационных систем сводились, в основном, к созданию баз экологических данных инвентарного типа и их обработке в режиме информационно-поисковых систем по различным направлениям экологических исследований. Так, в 1990-х годах в Институте водных и экологических проблем СО РАН были разработаны банки гидрологических, гидрохимических, гидрогеологических, почвенных, геоботанических данных и соответствующие системы их поддержки для решения задач экологического мониторинга, экологической экспертизы проектов и других .
Сегодня обострение экологической ситуации делает все более актуальными работы по созданию информационных баз, прикладных геоинформационных систем и использованию ГИС-технологий для решения комплекса проблем, возникающих в области природопользования и охраны окружающей среды. В качестве примера рассмотрим использование прикладных средств решения экологических проблем с помощью информационных технологий, проводящееся на примере упомянутого института.

1. Инструментальные системы и языки программирования
Как уже упоминалось, создание и редактирование цифровых картографических основ территорий, мнемосхем, картосхем различного тематического содержания выполняется с помощью картографических инструментальных систем.
Рассмотрим данную информационную технологию. С целью решения региональных экологических задач для территории Алтайского края в Институте водных и экологических проблем СО РАН с использованием Arc/Info созданы цифровые картоосновы края (гидрография, населенные пункты, дорожная и автомобильная сети, границы административных районов), ландшафтная карта края, некоторые топоосновы административных районов, карты плотности населения края, карты структуры лесов и ряд других тематических карт (Слайд 1).
Типичным примером использования возможностей Arc/Info можно назвать ее применение в работах по изучению влияния ядерных взрывов на Семипалатинском полигоне на окружающую среду и здоровье населения Алтайского края. С помощью этой системы была выполнена обрисовка на ЭВМ около 80 типов тематических карт, отображающих результаты анализа и оценки данных в пространственном виде.
Основное применение в работах по созданию экологических баз данных находят языки программирования Foxpro, Pascal, C, которые применяются в ходе:
- создания атрибутивных баз данных различной тематической направленности;
- создания информационных систем для работы с атрибутивными базами данных, ориентированными на конечных пользователей;
- математической, статистической обработки данных.
Приведем два типичных примера использования нами названных языков программирования в работах, проводимых по программе «Семипалатинского полигона» :
1. Использование системы Foxpro для накопления, систематизации, хранения данных по основным загрязнителям природных объектов и показателям заболеваемости населения Алтайского края и создание информационно-справочной системы для поиска и отображения данных по запросам исследователей. В качестве природных объектов расматривались воздух, вода, почва, растения, снег, продукты животноводства. В качестве загрязнителей - тяжелые металлы, пестициды, радионуклиды и другие. Основной особенностью этих работ явились огромные объемы атрибутивных баз данных, эффективно справиться с которыми позволили специализированные средства управления базами данных, имеющиеся в Foxpro.
2. Статистическая обработка данных для определения степени влияния загрязнения окружающей среды на состояние здоровья населения Алтайского края. Обработка выполнялась с использованием оригинальных процедур статистического анализа, написанных на языках Foxpro, C, а также пакетов статистического анализа SAS, STATGRAF. Выбоp сpедства обpаботки опpеделялся типом pешаемой задачи, количеством исследуемых данных и сложностью используемых методов. Для однотипной обpаботки множества данных и пpедставления pезультатов в фоpме, пpигодной для дальнейшего использования, pазpабатывались специализированные пpогpаммы.
Указанными средствами проведен анализ детской и взрослой заболеваемости по населенным пунктам Алтайского края и республики Горный Алтай, взрослой заболеваемости по промышленным и агропромышленным предприятиям.
2. Создание комплексных сред обработки экологических данных
В режиме комплексной среды подготовленные в Foxpro данные используются в среде Arc/Info, в которой осуществляется совместная обработка атрибутивных и картографических данных, интерфейс с пользователем и визуализация информации. Данная технология используется в тех случаях, когда подавляющий объем функций обработки данных касается анализа их пространственных характеристик и пространственного отображения результатов (вычисление площадей, изолинейное картографирование и др.).
В качестве примера использования данной технологии можно привести реализованную задачу агроэкономического анализа территории Алтайского края. Для ее решения в среде Foxpro создана база данных для описания параметров оценки природного и экономического потенциалов аграрного природопользования административных районов и Алтайского края в целом. Эта база данных подсоединена к картографической базе данных Алтайского края. Осуществлено наложение карты ландшафтов на карту административных границ края. В зависимости от того, какой процент территории административного района занят теми или иными ландшафтными местностями, вычислены различные показатели для каждого района (например, потенциал пахотных и кормовых угодий, природный потенциал, совокупный агроэкономический потенциал и др.). Полученные картосхемы отражают распределение этих показателей для территории Алтайского края (Слайд 2).
Режим комплексной среды Foxpro-Arc/Info, управление данными из Foxpro симметричен предыдущему: картографические основы, подготовленные в среде Arc/Info, переводятся в специальный формат для системы Foxpro. Совместная обработка картографических и атрибутивных данных ведется в системе Foxpro. Данная технология используется в случаях преобладающей обработки больших объемов атрибутивных данных с использованием как простых, так и сложных математических методов манипулирования данными с табличной и картографической формами их представления.
В качестве иллюстрации приведем пример использования данной технологии при создании информационной системы оценки и прогноза экологического состояния и использования природных ресурсов Алтайского края (лесных, водных, земельных). Реализуя на первых этапах как простые, так и достаточно сложные прикладные запросы при минимальных требованиях к аппаратным средствам и компьютерной подготовке пользователей, эта инструментальная среда может быть в будущем заменена на более мощную ГИС-оболочку (типа ArcView).
Суть используемого нами типа информационной технологии заключается в интеграции традиционных методик и средств обработки данных в среде Foxpro со средствами организации и отображения пространственных данных, имеющимися в инструментальных ГИС. Для этих целей в институте разработаны программные средства, обеспечивающие совместную обработку графических, картографических и атрибутивных данных. Эти средства специализированы для прикладных программистов и представляют собой графическое расширение Foxpro. В их состав входит набор объектно-ориентированных процедур работы с пространственными данными: поиск объектов, графическое изображение объектов, фрагментирование изображения, многооконный интерфейс, система текстовых и пиктографических меню. Имея высокие потенциальные возможности пространственной обработки, эти средства позволяют с наименьшими ресурсными затратами создавать с учетом требований конечных пользователей удобную среду их взаимодействия с прикладной системой.
Технология разработки ГИС-приложений в этом случае выглядит следующим образом:
- подготовка картографических баз данных в среде Arc/Info,
- их конвертирование в текстовый формат с последующим преобразованием во внутренний формат графической системы,
- создание процедур совместной обработки картографических и атрибутивных данных в среде Foxpro.
Создаваемая для Алтайского краевого Комитета экологии и природных ресурсов ГИС "Природные ресурсы" строится в виде относительно независимых подсистем по каждому виду природных ресурсов (ГИС "Лесные ресурсы", ГИС "Водные ресурсы", ГИС "Земельные ресурсы) с последующей возможностью взаимодействия этих подсистем. Основную нагрузку в создаваемой ГИС несет на себе база атрибутивных данных, разрабатываемая в системе Foxpro. База картографических данных создается в среде Arc/Info. Совместная обработка атрибутивных и картографических данных в системе осуществляется по описанной выше технологии с использованием оригинальных графических средств.
Система имеет следующий обобщенный состав (Слайд 3).
База атрибутивных данных содержит по каждой подсистеме свой набор показателей, описывающих состояние исследуемых природных ресурсов и их элементов и определяемых исходя из целей и задач подсистем, а также информационной системы в целом.
База картографических данных предназначена для хранения комплекса базовых топографических карт (границ административного деления территории, природно-хозяйственных единиц, речных бассейнов, дорог, населенных пунктов и др.) и серии тематических карт, получаемых в результате решения различных функциональных задач с пространственным характером распределения информации.
Аналитический блок содержит в своем составе методики, алгоритмы и математические модели обработки, экспертизы, анализа временных и пространственно-распределенных данных об исследуемых природных ресурсах и территориях, решения комплекса прикладных задач в соответствии с функциями Комитета, а также решения различных фундаментальных научно-исследовательских проблем.
Пользовательский интерфейс обеспечивает предметный диалог с системой, позволяющий запрашивать необходимую информацию в удобном для использования виде, проигрывать сценарии прогноза состояния природных ресурсов, пространственно визуализировать результаты комплексного анализа территории.
Программные средства реализуют ГИС-технологии пространственной организации и визуализации данных, а также технологии обработки и анализа информации, основанные на использовании статистических методов, методов математического моделирования, экспертных оценок и др.
Рассмотрим создаваемые на основе данной среды частные информационные среды.
Этапы работы в ГИС "Лесные ресурсы" обобщенно представлены на слайде 4.
На территории Алтайского края площадь земель лесного фонда составляет 4241,5 тыс.га, из них большая часть (79,5%) находится в ведении федеральных органов лесного хозяйства, 18% - в ведении сельскохозяйственных структурных формирований, 1,8% - в ведении администраций городов, 0,2% - в ведении других министерств и ведомств.
Географическое размещение лесов в крае неравномерно. По природным и лесорастительным условиям, роли и народнохозяйственному значению леса края подразделяются на четыре лесохозяйственных района: Ленточно-боровой (поле и почвозащитный, занимающий 33% от площади всех лесов края), Приобский боровой (водоохранный-22%), Салаирский (черневой тайги-16%) и Предгорный (29%).
Из всей массы имеющегося информационного материала была выделена та ее часть, которая необходима и вполне достаточна для принятия решений на краевом уровне. Весь информационный поток был разделен на следующие основные группы показателей:
- общая характеристика лесов,
- лесопользование,
- восстановление лесных ресурсов,
- охрана леса,
- защита леса.
Исходной территориальной единицей сбора информации по этим группам показателей были взяты лесхозы. Исходной информацией для наполнения базы данных служат материалы лесоустройства, пятилетнего учета лесного фонда, текущего годового учета, инвентаризации земель, данных учета лесных пожаров и других антропогенных факторов.
Состав показателей базы данных по группам:
- Распределение лесов по категориям земель, группам и категориям защитности;
- Распределение лесов по преобладающим породам;
- Средние таксационные показатели по основным лесообразующим породам;
- Лесопользование;
- Восстановление лесных ресурсов;
- Охрана леса;
- Защита леса;
- Сведения о лесах гослесфонда по лесхозам и землепользователям на территории районов;
- Сведения о лесах на территории районов.
База картографических данных создается в виде совокупности цифровых карт территории лесного фонда края, границ лесохозяйственных предприятий, границ лесорастительных зон, границ ландшафтов, а также ряда тематических карт, характеризующих лесистость территорий, породную и возрастную структуру лесного фонда, очаги вредителей и болезней леса и др. Хранимые в базе данных карты формируются путем оцифровки (с использованием дигитайзера или сканера) существующих карт, соответствующих различным срокам проведения государственного учета лесов и лесоинвентаризации (см. Слайд 4).
В состав аналитического блока входят алгоритмы и модели для решения функциональных задач, связанных с анализом содержащейся в банке данных информации о лесном фонде края, оценкой и прогнозом динамики экологического состояния и использования лесных ресурсов. На Слайде 4 приведен пример представления результирующих данных.
Условные обозначения:
1 - общая площадь земель лесного фонда;
2 - покрытые лесом земли;
3 - непокрытые лесом земли;
4 - всего лесных земель;
5 - нелесные земли.
Для анализа динамики изменения состояния лесов края могут быть получены и отображены в табличном, графическом и картографическом виде как текущие учетные, так и производные показатели базы данных:
- лесистость территории - отношение площади, покрытой лесом, ко всей площади исследуемой территории;
- покрытая лесом площадь, приходящаяся на одного жителя района;
- общий запас лесонасаждений в регионе, выраженный в кубических метрах древесины (по группам пород);
- отношение площади восстановленного леса к площади вырубленного и погибшего в процентах;
- общий прирост леса в среднем за год (всего и по группам пород);
- отношение вырубленного и погибшего леса (всего и по причинам гибели) к покрытой лесом площади региона.
- убыль лесных площадей за счет вырубки и гибели леса по разным причинам;
- восстановление лесных площадей за счет посева и посадки, а также за счет содействия естественному возобновлению;
- выделение покрытых лесом площадей, находящихся под угрозой гибели.
Аналогичным образом выстроена работа ГИС "Водные ресурсы" (Слайд 5). Для целей управления водными ресурсами края необходима водохозяйственная информация, включающая данные о ресурсах и качестве поверхностных и подземных вод, их использовании с учетом всех водопользователей и трансформации. Эти сведения представляются в "Ежегоднике качества поверхностных вод и эффективности проведения водоохранных мероприятий", ежегоднике "Данные обобщения госучета использования вод по Алтайскому краю", форме "2-ТП-Водхоз" и могут служить основой для создания геоинформационной системы, позволяющей изучать и контролировать процессы на речной сети в комплексном виде.
ГИС "Водные ресурсы" предназначена для решения задач контроля за состоянием и качеством вод речного бассейна, изменяющихся в результате производственной и бытовой деятельности человека, анализа данных по водопотреблению и водоотведению, прогноза качества воды.
Объектом ГИС является бассейн реки Оби в пределах территории Алтайского края.
База атрибутивных данных
Содержащиеся в этой базе данные распределены по следующим группам показателей:
1) Справочники наименований;
2) Справочники загрязнителей - содержат коды, наименования и значения ПДК по 4-м группам загрязняющих веществ;
3) Списки объектов наблюдения;
4) Данные наблюдений - содержат показатели:
- гидрологические (уровень воды, расход, температура, мутность, средняя скорость течения и др.);
- гидрохимические (индекс загрязнения воды, количество замеров, средняя и максимальная концентрации загрязняющих веществ);
- водоотведения (объем сброса вод общий, без очистки, недостаточно очищенных, нормативно чистых, очищенных различными способами);
- сбросов загрязняющих веществ в составе сточных вод;
- водопотребления (объемы забранной воды по периодам, целевое назначение забираемой воды и др.).
Картографическая база данных предназначена для хранения цифровой топоосновы речной сети, картосхем речных бассейнов, участков речной сети, населенных пунктов и связанных с ними объектов наблюдения. На картосхемах наглядно отражается пространственное расположение водопользователей, объектов-загрязнителей, мест сброса сточных вод, пунктов контроля качества поверхностных вод, гидрологических постов (см. Слайд 5).
Аналитический блок представлен двумя группами функциональных задач.
1. Задачи информационно-справочного типа, обеспечивающие получение и визуализацию следующей информации:
- динамику гидрологических характеристик по гидрологическим постам;
- динамику загрязняющих веществ в заданных пунктах наблюдения, на участках речной сети, в точках сброса сточных вод, по предприятиям-загрязнителям (Слайд 5) и др.
2. Задачи обработки данных для оценки и прогноза качества воды в речной сети:
- расчет показателей степени загрязнения поверхностных вод в пунктах наблюдения, на участках речной сети, в речных бассейнах;
- определение класса качества воды;
- оценка антропогенной нагрузки на водную систему;
- прогноз водообеспечения, исходя из наличия водных ресурсов.
Аналогичным образом выстроена работа с ГИС «Земельные ресурсы».

Заключение
При выборе технологий разработки и дальнейшей эксплуатации прикладных информационных систем необходимо учитывать тип пользователей, на которых ориентируются создаваемые системы. От этого зависят различные характеристики будущей системы: скорость ее реализации, гибкость модификации, простота и удобство пользовательского интерфейса, тиражируемость. На выбор технологических решений, на наш взгляд, оказывают влияние три типа конечных пользователей:
- пользователи, имеющие определенные знания и навыки работы с инструментальными программными средствами и обладающие способностью самостоятельно их использовать для решения своих задач, как правило, несложных по исполнению (например, специалисты научно-исследовательских и проектных организаций);
- опытные пользователи, умеющие работать с готовыми прикладными информационными системами и адаптировать их к изменяющимся условиям своей прикладной области в пределах возможностей системы (например, специалисты среднего и нижнего звеньев управления, инженерно-технический персонал);
- пользователи, работающие с системами в информационно-справочном режиме с регламентированными типами запросов на простом диалоговом языке (например, специалисты верхнего уровня управления, любые пользователи в справочном режиме доступа к данным).
Чем более опытным с точки зрения компьютерной грамотности является пользователь и чем больше времени он может себе позволить для работы с информационной системой, тем более мощные и гибкие по возможностям технология обработки данных и пользовательский интерфейс могут быть ему предложены. Приступая к созданию и внедрению информационной системы, разработчик системы должен хорошо понимать существо своей проблемы, оценивать свой финансовый потенциал и выбирать программные продукты и технологии, исходя из четко выработанных для себя критериев.
Список литературы
1. Винокуров Ю. И., Широкова С. Л., Ловцкая О. В., Михаилиди И. М. Использование информационных технологий при решении экологических задач / Институт водных и экологических проблем СО РАН. Эл. документ. Режим доступа: [http://www-sbras.nsc.ru/win/gis/lib/reports/97/barnaul_a.html]
2. Широкова С. Л., Ловцкая О. В., Шелепов С. М. Применение геоинформационных технологий для создания приложений / Интеркарто 2: ГИС для изучения и картографирования окружающей среды. Материалы международной конференции. Иркутск , 1996.
3. Ядерные испытания, окружающая cреда и здоровье населения Алтайского края / Материалы научных исследований. Том V. Книга 2. Барнаул, 1993.


Скачиваний: 2
Просмотров: 0
Скачать реферат Заказать реферат