автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Экологический контроль промышленных центров в целях устойчивого развития по данным космического мониторинга

Введение •

Глава 1. Космический мониторинг для устойчивого развития нефтегазовой отрасли

1.1. Контроль за состоянием окружающей среды в местах нефтедобычи

1.2. Анализ современных методов поиска нефти и газа с использованием данных дистанционного зондирования.

Глава 2 Экологический контроль урбанизированных промышленных территорий России.

2.1. Методика оценки загрязнения снежного покрова для экологического картирования по данным истанционного зондирования.

2.2. Создание базы данных для тематического дешифрирования. Моделирование отражательных свойств снежного покрова при его Искусственном запылении.

2.3. Воздействие городов на окружающую среду и вопросы планирования их развития по данным космического мониторинга 54 2.4 Анализ снегомерной съемки на основе космических данных.Оценка загрязнений снежного покрова г.Омска приграничных территорий по дистанционным данным.

Глава 3. Программно-аналитический комплекс Метамонитор.

3.1 .Предварительные замечания.

3.2 . Операторы мониторинга.

3.3 Описание программного комплекса метамониторинга. 82 3.4. Принципы обработки результатов

Основные результаты работы

Во всем 'мире в последние годы, особенно после известной Международной Конференции ООН по окружающей среде и развитию, проходившей в июле 1992 года в г.Рио-де-Жанейро на уровне глав государств и правительств, проявился повышенный интерес к разработке новой концепции развития цивилизации, осознания места человека в окружающей среде и в сообществе. Конференция ООН "Окружающая среда и развитие" в своей Декларации и в документах "Повестка дня на XXI век" сформулировала новую концепцию устойчивого развития человечества, которая кратко звучит так: государства мира обязуются обеспечить удовлетворения потребностей в развитии при сохранении окружающей среды, как для нынешнего, так и для будущего поколений.

Фактически на конференции ООН в Рио-де-Жанейро были получены контуры новой модели устойчивого развития человечества, в рамках которой должным образом учитывался бы баланс экономических и экологических интересов и обеспечивались бы возможности для сокращения разрыва в уровнях жизни и потребления как между странами, так и в пределах одной страны. Это означает понимание того, что экономическое развитие стран и регионов без должного внимания к окружающей среде ведет к уничтожению цивилизации.

Для предотвращения возможности экологических катастроф, определения очагов загрязнения окружающей среды и возможности их скорейшей ликвидации необходима регулярная, постоянно обновляемая информация о воздействии крупных промышленных центров на экологическое состояние окружающей среды. Все это определяет необходимость организации систематических комплексных наблюдений за состоянием земельных ресурсов, т.е. глобального и регионального мониторинга земель.

Основой ' информационного обеспечения мониторинга земель являются автоматизированные методы и технологии обработки видеоизображений, получаемых с помощью систем дистанционного зондирования наземного, воздушного и космического базирования.

Цель и задачи исследований. Целью настоящих исследований явилось решение проблемы информационного обеспечения мониторинга крупных промышленных центров и разработка механизмов определения поверхностного загрязнения. Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:

- разработка методов и алгоритмов тематической обработки изображений на основе их пространственных и спектрально-отражательных характеристик;

- проведение экспериментов по изучению экологического состояния дистанционными методами в целях исследования и апробации разработанных методов и технологий.

- создание экологических карт крупных промышленных центров как для урбанизированных территорий, так территорий нефтегазодобычи и систем транспортировки.

Научная новизна результатов исследования

Предложен способ прогнозирования состояния городской воздушной среды, позволяющий с помощью методов обработки спутниковой информации осуществить прогноз ущерба от загрязнения города в целом.

Разработка методики, позволяющей в местах нефтедобычи определить масштабы экологических загрязнений и возможность зонирования территорий по степени повреждения растительного и почвенного покровов. Практическая ценность

Разработан программный комплекс позволяющий решать задачи планирования природоохранных мероприятий, для оценки масштабов экологических загрязнений и расчета экономического ущерба.

Результаты исследований могут быть использованы для конкретные задач "двойного назначения", что подтверждается официальным заключением.

Научная апробация результатов.

Основные результаты работ составляющих содержание диссертации, были доложены на следующих научных конференциях: Всероссийском научном симпозиуме "Устойчивое развитие и космический мониторинг" Новосибирск 1998г., Международной конференции 'ТИС для оптимизации природопользования в целях устойчивого развития территорий (InterCarto 4), Барнаул 1998г., На III Межрегиональной экологической конференции (МЭСК) , Новосибирск 1998г., II Международном симпозиуме "Республика Алтай модели и механизмы устойчивого развития" Горно-Алтайск 1999, Международной конференции "Новосибирск на пороге XXI века" Новосибирск 1999, Международной конференции "Выпускник НГУ и научно-технический прогресс" Новосибирск 1999г., Третьей краевой конференции по математике. Барнаул 2000г.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения.

Основные результаты работы:

1. Разработаны методы анализа цифровой аэрокосмической информации, полученной с систем дистанционного зондирования в оптическом диапазоне, на основе экспериментально установленных взаимосвязей между отражательными и геофизическими характеристиками земных покровов,

2. Произведена апробация этих методов с использованием существующих технических средств интерактивной обработки на примерах урбанизированных территорий (Омский мегаполис) и района транспортировки нефти (г.Нефтеюганск).

3. Создан программно-технический комплекс включающий в себя:

- подсистему предварительной обработки информации;

- подсистему тематической обработки информации;

- подсистему обработки данных космического мониторинга, предназначенная для районирования по заданным признакам и создания на этой основе цифровых моделей специальных тематических карт.

- подсистема комплексной интерпретации и экспертных оценок, включающая набор процедур, предназначенных для определения тенденций развития исследуемых пространственных явлений во времени и выявлении закономерностей распространения.

1. Аэрокосмические методы в почвоведении и их использование в сельском хозяйстве. М.: Наука, 1990. - 270 с.

2. Биосфера: Методы и результаты дистанционного зондирования / К.Я. Кондратьев, В.В.Козодеров, П.П.Федченко, А.Г.Топчиев.-М.:Наука,1990, 224 с

3. D. Evans, Е. Kasischke, and et. Spaceborne Synthetic Aperture Radar Current Status and Future Directions / A Report to the Commitee on Earth Sciences. NASAJPL, 1995, P. 171.

4. Кондратьев К.Я., Смоктий О.И., Козодеров B.B. Влияние атмосферы на исследования природных ресурсов из космоса. М.,1985.

5. Козодеров В.В., Сажина Л.М., Шульгина Н.Б. Математическая модель трансформации в атмосфере радиационных образов природных объектов / Труды ГосНИЦИПР, вып.8, Л.:Гидрометеоиздат, 1980, с.35-50.

6. Кузина A.M., Мальцева И.Г., Рамм Н.С. Условия освещения местности при космической сканерной съемке// Исслед. Земли из космоса, 1984, 2, с.98-106.

7. Козодеров В.В. Атмосферная коррекция видеоизображений.// Исслед. Земли из космоса, 1983, 2, с.65-75.

8. Козодеров В.В., Сажина Л.М. Аппроксимация зависимостей интенсивности уходящего излучения ортогональными полиномами / Труды ГосНИЦИПР, вып.8, Л.:Гидрометеоиздат, 1980, с.75-82.

9. Барыкин А.С., Козодеров В.В., Попов В.П. Радиационная коррекция аэрокосмических изображений сельскохозяйственных культур.// Исслед. Земли из космоса, 1985, 4, с.78-85.

10. Прокачева ВТ., Чмутова Н.П., Абакуменко В.П. Усачев В.Ф.Зоны загрязнения снежного покрова вокруг городов на территории СССР. J1. 1988.125 с.

11. Адаменко В.Н., Кондратьев К.Я., Поздняков Д.В., Чехин JI.B. Радиационный режим и оптические свойства озер. JI. Гидрометеоиздат. 1991.300 с.

12. Новый аэроклиматический справочник свободной атмосферы над СССР. Т. 2. Характеристики ветра и геопотенциала. Под ред. Гутермана И.Г. М.: Гидрометеоиздат. 1980. 584с.

13. Дистанционный мониторинг. Засоление орошаемых почв./ Сб. науч. тр. Москва 1993.-191 с.

14. Усачев В.Ф., ОлоншекД., Прокачева В.Г., Гюнтер Т. Спектральная отражательная способность снежного покрова. JL -1988.

15. R.M. Lucas, A.R. Harrison. Snow Observation by Satellite: A Review // Remote Sensing Reviews, 1990, vol.4(2), pp.285 348.

16. Василенко B.H., Прокачева В.Г., Фридман Ш.Д. Оценка загрязнения снежного покрова промышленных районов по спутниковым изображениям / Труды ГГИ, 1981, вып.285, С.56-63

17. ПрокачеваВ.Г. Снежный покров в сфере влияния города. JL: Гидрометеоиздат, 1985,-180с.

18. Об особенностях снеготаяния вблизи промышленных центров и возможностях наблюдения этого процесса дистанционными средствами / Труды ГГИ, 1984, вып.299, С.28-36

19. Василенко В.Н., Назаров И.М., Фридман Ш.Д. Мониторинг загрязнения снежного покрова. JI: Гидрометеоиздат, 1985, 182с.

20. Малахов С. Г., Сенилов Н.Б. Зависимость содержания металлов в почве и в снежном покрове от расстояния до места их выбросов // Почвоведение 1992, N9, С. 141-144.

21. Снег. Справочник / Под ред. Д.М. Грея и Д.Х. Мэйла -ЛТидрометеоиздат, 1986,-752с.

22. Геохимия окружающей среды. М.: Недра, 1990, 335

23. С.Василенко В.А. Сплайн-функции: теория, алгоритмы, программы. Новосибирск: Наука, 1983, 224 с.

24. Kidder, S.Q., and Wu, H. A multispectral study of the St. Louis area under snow-covered conditions using NOAA-7 AVHRR data. Remote Sensing of Environment, 1987, 22, 159 172.

25. Прикладная статистика: Классификация и снижение размерности: Справ изд. / С.А.Айвазян, В.М.Бухштабер, И.С.Енюков, Л.Д.Мешалкин; Под.ред. С.А.Айвазяна. М.:Финансы и статистика, 1989. - 607 е.: ил.

26. Козодеров В.В., Косолапое B.C. Модели оценки состояния почв и растительности по многозональным спутниковым данным // Исслед ование Земли из космоса. 1993. N 5. С.33-50.

27. В. Хардле. Прикладная непараметрическая регрессия. Пер. с англ. М., Мир, 1993,349с.

28. Винокуров Ю.И. и др. Природно-мелиоративная оценка земель в Алтайском крае. Иркутск, 1988, 136 с.

29. Аэрокосмические методы в геоэкологии. Киев: Наукова думка, 1992,20 п.л

30. Паикова ЕМ-., Соловьев Д.А. Дистанционный мониторинг засоления орошаемых почв. Москва, 1993, 192с.

31. Орлов Д.С., Караванова E.H., Панкова Е.И. Влияние легкорастворимых солей на спектральную отражательную способность почв сероземной зоны // Почвоведение. 1991, N 4, С. 120-134.

32. Виноградов Б.В. Дистанционные индикаторы опустынивания и деградации почв // Почвоведение. 1993, N 2, С. 98-103.

33. Космическая система "Ресурс" для исследования природных ресурсов Земли и контроля окружающей среды/ Под ред. Гусева Л.И. и др. М. Главкосмос, 1988, С. 57-169.

34. Длин A.M. Факторный анализ в производстве. М: Статистика, 1975, 328 с.

35. Игнатов М.И., Певный А.Б. Натуральные сплайны многих переменных. Л: Наука, 1991,- 125с.

36. Вершинин В.В., Завьялов Ю.С., Павлов H.H. Экстремальные свойства сплайнов и задача сглаживания. Новосибирск: Наука, 1988, -103 с.

37. ВасмутА.С., Гусев A.B., Кравченко Ю.А. К вопросу классификации систем цифрового моделирования рельефа.// Геодезия и картография, -1982,-N2, -С.53-56.

38. Воротынцев А.Г. Использование метода разбиения единицы для задач цифрового моделирования рельефа.// Картографическое обеспечение развития народного хозяйства. Новосибирск: Наука, 1988, С.37-40.

39. Калугин Е.И., Жалковский Е.А., Жданов Н.Д., Цифровые карты, М.:"Недра", 1992,-416с.

40. Копаев Г.В. Результаты сравнительной оценки векторизаторов // Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации, N 2(4), 1996. С. 59-62

41. Методы информатики в радиофизических исследованиях окружающей среды. Сборник научных трудов. М: Наука, 1989, 256 с.

42. Гонин Г.Б. Космическая фотосъемка Земли.М.,1992.

43. Бугаевский Л.М., Портнов A.M. Теория одиночных космических снимков. М., 1984.

44. Шутко A.M. СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов. -М.:Наука, 1986, 188с.

45. Миронов В.Л., Комаров С.А., Рычкова Н.В., Клещенко В.Н. Изучение диэлектрических свойств влажных почвогрунтов в СВЧ-диапазоне// Исследование Земли из Космоса, 1994, N 2, С. 18-24.

46. Комаров С.А., Миронов В.Л., Романов А.Н, Рычкова Н.В. Дистанционное определение влажности почв на территории Алтайского края //Почвоведение, 1992, N 11, С. 136-140.

47. Евтюшкин А. В. Нормализация аэрокосмических изображений // Тезисы докладов к 5-й Всесоюзной научно-практической конференции "Дистанционный мониторинг экосистем". Барнаул, 1990, С. 40-46.

48. Евтюшкин A.B., Пустынников В.Ф., Трефилов Е.Э. Направления использования банка спектральных коэффициентов почв // Тезисы докладов Всесоюзной школы "Дистанционные радиофизические методы исследования природной среды". Барнаул, 1991, С. 93.

49. Миронов В.Л., Комаров С.А., Евтюшкин A.B.Рычкова Н.В. Комплексное изучение влажности почв по тестовым территориям // Тезисы 2 научной конференции "Применение дистанционных радиофизических методов в исследовании природной среды". Муром, 1992, С. 70-71.

50. Разработка концепции экологического мониторинга Алтайского края / Науч. рук. Миронов B.JL, отв. исп. Оскорбин Н.М., исп. Евтюшкин А.В. и др.: Отчет по НИР, номер гос. регистрации 01.9.30010317 / НИИ экологического мониторинга при АГУ. Барнаул, 1996

51. Автоматизированная обработка изображений природных комплексов Сибири / Алексеев А.С., Пяткин В.П., Дементьев В.Н. и др. Новосибирск: Наука, 1988.

52. Корниенко М.Г., Комаров С.А., Кузьмин Э.В. Способ дистанционного определения влажности почвогрунтов. Патент РФ N 1756808, 1993

53. Комаров С.А.; Миронов В.Л.Романов А.Н.,Рычкова Н.В. Дистанционный радиофизический способ определения влажности. Патент РФ N 2010219 1994

54. Андроников В.Л., Афанасьева Т.В., Симакова М.С. и др. Аэрокосмические методы основа картографии почв // География и картография почв: Сб. научн. тр. (Науч. совет, по пробл. почв.) М.: Наука, 1993. С. 206-212.

55. Шеннон К., Работы по теории информации и кибернетике, пер. с англ. М, 1963г.

56. Боровков. Теория вероятностей. Наука 1976г.

57. Алпатьев А. М. Развитие, преобразование и охрана природной среды (проблемы и аспекты). Л.: Наука, 1983. 240 с.

58. Андреев И. Н., Липатов В. Б. Интерпретация ледового и снежного покрова по космическому снимку с ЭРТС-1. — Тр. Гос. гидрол. ин-та. 1976, вып. 237, с. 50—56.

59. Арцыбашев Е. С. Власова М. Н. и др. Применение спутниковой информации 11 охране лесов от пожаров. Л.: Изд-во Ленингр. науч.-иссл. ин-та лесн. хоз-ва, 1977. 28 с.

60. Бабаев А. Г. Герасимов И. П. Нечаева И. Т., Петров М. П., Сидоренко А. В. Изучение и освоение пустынь и полупустынь в СССР. — Пробл. освоения 1 пустынь, 1978, № 3, с.3-24.

61. Бакач Т. Охрана окружающей среды: Пер. с венг. М.: Медицина, 1980. 276 с.

62. Биосферные заповедники. Труды 1 Советско-амсриканского симпозиума. Л. :Гидромстеоиздат, 1977. 272 с.

63. Беличенко Ю. П. Полянинов А. Я. Охрана водных ресурсов. М,: Росссльхозиз-дат, 1976. 133 с.

64. Бузников А. А. Иванян Г. А., Кондратьев К. Я-. Поздняков Д. В. Применение -аффекта поляризации для целей дистанционного обнаружения пленок нефти на поверхности моря. — Тр. Гос. гидрол. ин-та, 1976, вып. 363, с. 31—42.

65. Буров В. П., Глушко Е- В., Ермаков Ю. Г. К изучению антропогенных изменений природной среды по космическим снимкам. — Вести. МГУ. Сер.геогр., 1981, № 1. с. 18—24.

66. Вернадский В. И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. М.: Изд-во АН СССР, 1965. 328 с.

67. Викторов С. В. Аэроландшафтная индикация последствий деятельности, человека в пустынях. М.: Недра, 1973. 57 с.

68. Виноградов Б. В. Космические методы изучения природной среды. М. Мысль. 1976. 287 с.

69. Виноградов Г>. В. Преобразованная земля: Космические исследования. М.:Мысль, 1981. 292 с.

70. Виноградов Б. В. Дистанционная индикация и картирование пастбищ.Исследование Земли из космоса, 1981, № 3. с. 35—45.

71. Виноградов Б. В. Григорьев Ал. А, Теория и развитие метода аэрофотографической экстраполяции. — В кн.: Аэрофотографическос еталонирование и экстраполяция. Л.: Наука, 1967. с. 65 74.

72. Воробьев В. В. Пластинин Л. А. Аэрокосмические методы в географических исследованиях зоны БАМ. — В кн.: Азрокосмическис методы в географических исследованиях Сибири и Дальнего Востока. Иркутск: Ин-т геогр. Сибири и Дальн. Востока. 1981. с. 3—11.

73. ВостоковаЕ. А. Дистанционные методы изучения антропогенных изменений гидрогеологических условий и обеспечения охраны подземных вод. М.: Всесоюз. ин-т экономики минеральных ресурсов. 1979. 47 с.

74. Востокова Е- А. Использование аэрокосмических фотоснимков при гидрогеологических исследованиях в пустынях. М.: Недра, 1980. 161 с. /34.

75. Востокова Е. А., Кельнер К.Г. Принципы системного картографирования природных ресурсов и их охраны по космическим снимкам. — В кн.: Аэрокос-мические методы исследования окружающей среды. Л.: Геогр. о-во СССР 1980. с. 77 90.

76. Герасимов И. П. Научные основы мониторинга окружающей среды. — В кн.: Мониторинг состояния окружающей природной среды. Л.: Гидрометео-издат, 1977, с. 41 52.

77. Глобальные проблемы современности / Отв. ред. Н. И. Иноземцев. М.: Мысль, 1981. 285 с.

78. Глушко Е. В. Изучение антропогенных изменений земельных ресурсов по космическим снимкам. • Итоги науки и техники. Сер. Охранаприроды и воспроизводство природных ресурсов, т. 10. 1981. с. 144— 160.

79. Глушко Е. В.", Кондратьева Т. И. Опыт сопоставления ландшафтов орошаемого земледелия пустынных зон по материалам космической съемки.—-Исследование Земли из космоса, 1982, № 3, с, 13—23.

80. Готманн Ж. Мегалополис или урбанизация северо-восточного побережья США.- В кн.: География городов. М,: Географгиз. 1965. с. 42—57.

81. Григорьев А. А. Космическая индикация ландшафтов Земли. Л.: Изд-во, Ленингр. ун-та, 1975. 185 с.

82. Григорьев А. А. Космическая индикация антропогенных изменений окружающей среды. — В кн.: Азрокосмические исследования Земли. М.: Наука. 1979. с. 192—206.

83. Григорьев Ал. А. Города и окружающая среда: состояние и проблемы космического мониторинга, — В кн.: Аэрокосмическне методы исследования окружающей среды. Л.: Геогр. о-во СССР, 1980, с. 91— 105.

84. Григорьев А. А. Города и окружающая среда/Космические исследования. М.: Мысль, 1982. 120 с.

85. Григорьев А. А. Кондратьев К. Я. Природные ресурсы и охрана окружающей среды, — В кн.: Успехи Советского Союза в исследовании космического пространства. М.: Наука, 1978. с. 55—74.

86. Григорьев А. А., Кондратьев К. Я. Космос и география. — В кн.: Современные проблемы географии. Л.: Геогр. о-во СССР, 1980, с. 37— 45.

87. Григорьев А. А., Кондратьев К. Я. Пылевые бури на Земле и Марсе. М.:3нание, 1981. 64 с.

88. Григорьев А. А., Кондратьев К. Я. Атмосферная пыль по наблюдениям из космоса. Ч. II. Количественная оценка.—Бюл. Всемир. метеорол. организации,-1981, т. 30, № 1, с. 3—9.

89. Григорьев А. А. Липатов В. Б. Дымовые загрязнения атмосферы по наблюдениям из космоса. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 36 с.

90. Гумилев Л. //. Этногенез и биосфера Земли. Т. 1. Ленингр. ун-т, 1979. 252 с. Деп. в ВИНИТИ, 14.03.1979, № 1001-79.

91. Дарлинг Ф. Ф. Воздействие человека на биосферу. — В кн.: Использование и охрана природных ресурсов: Пер. с англ. М.: Прогресс, 1972, с. 46-75.

92. Дорст Ж. До того, как умрет природа: Пер. с франц. М.: Прогресс, 1968.231 с.

93. Израэль Ю. А. Концепция мониторинга состояния биосферы. — В кн.: Мониторинг состояния окружающей природной среды. Л.: Гидрометеоиздат, 1977, с. 10-25.

94. Публикации автора по теме диссертации

95. А.В.Врагов, Л.Ф.Жегалина, В.А.Самарин "Моделирование и прогнозирование изменений окружающей среды на основе данных, полученных космическим мониторингом" Препринт ИДМИ Новосибирск 1999г. 32с.

96. Л.Ф.Жегалина "Космический мониторинг нефтегазодобывающих районов" Материалы международной конференции "Выпускник НГУ и научно-технический прогресс" ч.2 Новосибирск 1999г. с.94-95

97. Л.Ф.Жегалина "Методы исследования изображения с целью создания экологического картирования по данным дистанционного зондирования."// Третья краевая конференция по математике: Материалы конференции. Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2000. С.48-49