автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Оценка и прогнозирование экологической ситуации в регионе на основе интеграции данных дистанционного зондирования и приземных наблюдений

-X п п'

р|0 V»

На правах рукописи

ХОАНГ ВЬЕТ ЗАО

ОЦЕНКА И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СИТУАЦИИ В РЕГИОНЕ НА ОСНОВЕ ИНТЕГРАЦИИ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ И ПРИЗЕМНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ

05.13,16 Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995

Работа выполнена в Центре программных исследований Российской Академии наук

,- Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Ярыгин Г.А.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Бахвалов Л.А.", ■ кандидат технических наук,

профессор Бурляев В.В".

Ведущая организация - ВНИИ химической технологии

Защита состоится 1995 г. в ■ Л час. на

заседании диссертационного совета К.063.41.02 в Московской государственной академии тонкой химической технологии (МИТХТ) им.М.В.Ломоносова по адресу Москва, Проспект Вернадского, 86

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ (Москва, Малая'пироговская,1)

Реферат разослан "_"_ 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Бурляева Е.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

За последние десятилетия масштабы и физические особенности антропогенных и техногенных воздействий на природную среду порождают значительные отрицательные последствия в экосистеме. Неуправляемое техногенное

воздействие на природную среду приводит к существенному загрязнению среды обитания, питьевой воды и продуктов питания, неблагоприятному воздействию этих факторов на здоровье населения, фактическому возникновению зон экологического бедствия. В связи с этим проблемы снижения экологического риска, обеспечения экологической безопасности и рационального управления экологической ситуацией приобретают первостепенное значение. Необходимым условием экологической безопасности является постоянное наблюдение за качеством жизненно важных природных сред, обработка и анализ полученных данных. Следует отметить, что стабилизация экологической ситуации может •■быть достигнута только в результате применения комплексных мероприятий с учетом состояния всех жизненно важных природных сред (воздуха, воды, почвы, растительного покрова). В настоящее время напоплен определенный опыт по изучению воздействия отдельных источников загрязнения, однако остается актуальной задача исследования и управления экологической ситуацией в целом на территоритории региона.

Одним из средств решения этой задачи является разработка систем экологического мониторига (СЭМ). СЭМ является измерительно - информационно - моделирующей системой, цель которой состоит в сборе разнородной информации об экологической ситуации на территории региона, формировании оценкн экологической обстановки и выдаче рекомендаций по управлению экологической безопасностью. СЭМ объединяет в единой] информационной технологии весь процесс получения, передачи и обработки данных об экологической ситуации - от накопления данных первичных наблюдений и измерений до поддержки принятия решений по оперативному, средне- и долгосрочному управлению экологической 'ситуацией.

В диссертационной работе рассматриваются вопросы, связанные с разработкой и применением интегрированных методов

анализа данных дистанционного зондирования и приземных наблюдений. Состояние исследований в этой области свидетельствует об актуальности тематики.

Цель работы...

Целью работы является получение интегрированных оценок экологической ситуации по результатам дистанционного зондирования и данным приземных измерений, а также формирование кратко- и долгосрочных прогнозов развития экологической обстановки. В этом плане ставятся и решаются следующие задачи:

- восстановление пространственных полей концентраций загрязняющих веществ на территории региона путем интерполяции результатов измерений, проведенных в наборе пространственно-временных точек;

■. - оперативное управление системой первичных измерений;

- определение эквивалентных источников выброса химических веществ в природные среды (локализация источников, состав выбрасываемых веществ, мощность и динамика выброса) по данным измерений концентраций на территории региона;

- построение карт химического загрязнения территории региона на основе локальных данных наземных наблюдений и измерений и результатов дистанционного зондирования территории;

- реализация и применение методов оценки и прогнозирования экологических процессов для регионов с высоким химическим загрязнением природной среды.

Научная новизна

В диссертационной работе автором получены следующие результаты: |

- разработаны и реализованы методы интеграции данных дистанционного зондирования| и приземных измерений;

- разработаны и реализованы методы координационной привязки информациии об экологических процессах к информации, отображающей строение территории;

Практическая значимость

Практическая значимость полученных в работе результатов заключается в следующем:

- разработаны и реализованы методы количественной оценки

• экологических параметров на основе интеграции данных дистанционного зондирования и приземных наблюдений;

- разработаны и реализованы методы прогнозирования пространственно-временных полей концентраций химический загрязнений на территории на основании данных о загрязнении в

V

настоящем и прошлом;

- разработано и реализовано математическое обеспечение СЭМ для региона с высокой концентрацией предприятий нефтехимической промышленности.

Апробация работы ■

Основные положения работы докладывались и обсуждались на научных конференциях комитета космических исследований Социалистической Республики Вьетнам (Ханой, 1989, 1990, 1991 гг) и на семинаре "Применение-дистанционного зондирования в системах экологического мониторинга" Национального центра науки и технологии Вьетнама (Ханой, 1995 г.), на региональном семинаре "Информационные проблемы экологического мониторинга" (Владимир, 1994 г.)

Разработанные в соавторстве , программы переданы в отраслевой фонд алгоритмов и программ (1993, 1994 г.)

Публикации

Результаты работы изложены в 4 опубликованных статьях и 2 депонированных в ОФАП программах.

Структура и объем диссертации

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

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I

I

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследования, данк общая характеристика работы.

В первой главе рассмотрены основные принципы разработки и применения систем экологического мониторинга (СЭМ). Основной задачей такой системы является сбор и анализ данных об экологической обстановке, оценка экологической ситуации и выработка рекомендаций по управлению экологической безопасностью. Сформулированы основные задачи таких систем:

сбор, накопление и первичная обработка данных наблюдений и измерений уровней загрязнения природных сред, о техническом состоянии и уровне надежности аварийно-опасных объектов, функционирование которых связано с экологическим риском.

моделирование на основе всего комплекса накопленных данных процессов переноса и трансформации загрязнений в природных средах

анализ оперативной экологической обстановки, идентификация источников и зон загрязнений и экологического риска

поддержка принятия оперативных решений в аварийных и чрезвычайных (катастрофических) экологических ситуациях, выявление таких ситуаций

сравнительный анализ динамики и тенденций развития экологической обстановки в пространстве и во времени. Формирование краткосрочных и долгосрочных прогнозов, -в том числе моделирование возможных отказов и возникновения аварийных ситуаций на потенциально-опасных объектах

моделирование сценариев возможного развития экологической обстановки с целью оценки последствий принятия тех или иных решений в области, экологической безопасности.

Представлена обобщенная архитектура СЭМ (рис. 1), включающая в себя следующие блоки:

- информационно-измерительная подсистема, включающая разветвленную информационно - измерительную сеть станций и постов мониторинга, стационарных и передвижных лабораторий, осуществляющих регулярные оперативные наблюдения и измерения на единой методической и метрологической основе. Задачей этой подсистемы является получение достоверных, привязанных друг к другу, сопоставимых данных и передача их другим подсистемам СЭМ;

- подсистема математического моделирования процессов распростанения и трансформации загрязяющих веществ в природных средах, обеспечивающая построение оценки количественных характеристик экологической ситуации по результатам отдельных дискретных во времени .и пространстве измерений;

- подсистема поддержки принятия решений, обеспечивающая

Рис.1 Архитектура СЭМ

Природная среда: Интерполяция при заданных источниках Локализация источника Интерполяция по данным измерений

Атмосфера - модели Гаусса - градиент модели - упрощен.модели методы поиска экстермума с учетом априор.инф локализация источника с поел. П0ДЛР38К0Й

Поверхностные воды - модели Гаусса - решение ур-ния диффузии моделирование не используется

Подземные воды • решение стационарн. задач фильтрации

Почвы - решение задач диффузии влаги и ыассопереноса

Рис.2 Классификация моделей

качественое сопоставление реальной ситуации с некоторым классом модельных ситуаций, генерацию возможных сценариев развития событий, выдачу рекомендаций по управлению экологической ситуацией, выявление тенденций развития экологических процессов и формирование долгосрочных прогнозов изменения экологической обстановки;

- подсистема подготовки документов, позволяющая представить полученные СЭМ результаты в удобном для лица, принимающего решения, виде. В функции эти же подсистемы входит формирование периодических отчетов об экологической обстановке, а также организация архивирования, хранения и доступа к документам;

- подсистема связи п телекоммуникаций, обеспечивающая функционирование территориально удаленных друг от -друга элементов системы в единой вычислительной среде.

В рамках такой архитектуры функционирование - СЭМ представляется следующим образом. Все- данные, полученные информационно-измерительной подсистемой (первичная

информация), заносятся в базы данных. С помощью подсистемы математического моделирования в реальном времени для текущего момента времени формируются базы данных с максимально подробной информацией об экологическом состоянии территории. При необходимости формируются аналогичные базы данных и для нескольких моментов ближайшего будущего (краткосрочные прогнозы). Содержимое этих баз данных служит основой для анализа, выполняемого системой поддержки принятия решений. Результаты анализа представляются в естественном и удобном для пользователя (лица, принимающего решения) виде.

При появлении новой информации сведения о предыдущем состоянии базы первичных данных заносятся в архив, состояние базы модифицируется и вновь рассчитывается полная информация о территории. Результаты расчетов в архиве не хранятся, так как при необходимости всегда могут быть получены на основе первичной информации.

Далее обоснована концепция геоинформационной системы (ГИС) как единой информационной среды, обеспечивающая хранение и обработку пространственной информации, полученной как в результате приземных наблюдений, так и в результате

дистанционного зондирования.

Основной информационной единицей в ГИС является информационный слой (ИС). Процесс обработки информации в ГИС сводится к построению нового информационного слоя по некоторой совокупности информационных слоев, относящихся к территории в некоторые моменты времени. Формируемые информационные слои содержат сведения о том, с помощью какой процедуры и по каким данным слой был получен. Это позволяет сравнивать результаты моделирования, полученные различными методами.

Последовательность заполнения информационных слоев определяется причинно - следственными связями протекающих процессов. Совокупность полностью заполненных ИС описывает максимально подробную информацию о состоянии территории.

В этой же главе дана сравнительная характеристика ,_ процессов распространения химических загрязнений в различных природных средах: атмосфере, поверхностных и подземных водах, почвах. Сформулированы основные "принципы математического моделирования распространения загрязнений с учетом данных приземных наблюдений и данных дистанционного'зондирования.

В рамках технологии ГИС назначение подсистемы математического моделирования СЭМ (ПММ СЗМ) состоит в формировании совокупности взаимосвязанных ИС, отражающих состояние территории з некоторый мсмент времени. От станций наземного наболюдения з ПММ СЭМ поступает метеорологическая информация (для атмосферы - направление и скорость ветра, температура и влажность воздуха, для рек - температура воды и скорость течения и т.д.) и данные о содержании вредных примесей. Системы дистанционного зондирования (СДЗ) территории с авиационных и космических средств обеспечивают возможность одновременного получения согласованной информации о больших территориях. Возможность зести с помощью дистанционного зондирования регулярный и оперативный контроль за состоянием природной среды на больших площадях, несмотря на ограниченность объема получаемой с их помощью экологической информации, приводит к необходимости включения СДЗ в состав СЗМ.

Таким образом, ставится задача оценки и прогнозирования экологической ситуации в регионе на основе данных

дистанционного зондирования и приземных наблюдений.

Во второй главе рассмотрена геоинформационная технология оценки и прогнозирования экологической ситуации в регионе средствами ГИС. Сформулированы основные функции программного обеспечения ГИС:

- ввод данных (оцифровка);

- ведение геоинформационной базы данных;

- анализ и обработка картографической информации;

- графическое (картографическое) редактирование;

- вывод данных и представление их пользователю в картографической форме.

Рассмотрены типичные операции обработки картографических данных: наложение различных тематических карт, вычисление площадей и расстояний, изменение легенды, масштаба и проекции карт, их распечатку, воспроизведение трехмерных перспективных моделей рельефа и полей загрязнения.

Далее рассмотрены состав и структура геоинформационной базы данных. Дана сравнительная характеристика векторной и растровой формы представления информации о территории. Предложены способы обеспечения взаимосвязей пространственных характеристик объектов с дополнительными показателями, характеризующими эти объекты с содержательной точки зрения. Поддержание этого соответствия дает возможность отбора и анализа объектов как по географическим, так и по содержательным критериям.

В этой же главе сформулированы основные принципы построения геоинформационной модели территории региона, в частности:

- выбор необходимого уровня охвата территории для! сбора информации при решении конкретной задачи. Территориальный уровень определяет основные параметры ГИС: пространственное разрешение (площадные размеры и типы единиц сбора информации), масштаб изучаемой геосистемы, метрические масштабы выходной картографической документации и др.

- соблюдение этапности в ходе разработки ГИС. Этапность -требование, естественно вытекающее из необходимости параллельных работ над общей концептуальной схемой и конкретными разработками ее отдельных элементов с постоянным

усложнением системы в целом, когда в процессе взаимодействия теоретических и практических аспектов подбираются, проверяются и внедряются наиболее эффективные решения.

блочный принцип структуры ГИС, предполагающий, что отдельные ее компоненты могут создаваться и существовать некоторое время относительно самостоятельно, но в них должна быть заложена возможность простой интеграции в более общие структуры в ходе развития ГИС.

необходимость отображения динамических характеристик объектов.

В третьей главе выполнены анализ и отбор методов математического моделирования экологических процессов. Представлена классификация математических моделей по двум параметрам (рис. 2):

- природная среда, для которой строится модель;

- задача, для решения которой строится модель.

При расчете переноса загрязнения рассматривались три основные задачи: расчет.полей загрязнения во всем регионе при заданных метеопараметрах и источниках загрязнения (прямая задача); локализация источников загрязнения по данным измерений концентраций загрязняющих веществ в отдельных точках и по заданным метеопараметрам; расчет полей загрязнения во всем регионе по данным измерения концентраций в отдельных точках и заданным метеопараметрам. При решении второй задачи активно используется первая, а при решении третьей - вторая.

Для каждой природной среды выделены особенности процесса моделирования. В качестве дополнительной задачи

рассматривается оптимизация расположения детекторов, измеряющих концентрации загрязняющих веществ.

Наибольшее внимание уделено процессам распространения химического загрязнения в атмосфере. Проанализированы как методы математического моделирования атмосферной диффузии на основе статистической теории, конечной результатом которой является гауссова модель распределения примеси в облаке выброса, так и методы моделирования путем решения дифференциальных уравнений переноса, полученных в

предположении пропорциальности потока примеси градиенту его

концентрации в воздухе (К - теории). Отдельно рассмотрены упрощенные методы расчета рассеяния примеси в атмосфере.(Рис 3)

Моделирование процесса переноса загрязнения в поверхностных водах ка региональном уровне выполняется отдельно для рек и водохранилищ. Речная система представляется в виде графа. В работе проанализированы модели двух типов: полуэмпирические модели гауссовского типа и модели, построенные на решении уравнения диффузии в движущемся потоке.

Для подземных вод основным методом моделирования является решение стационарных задач фильтрации и миграции подземных вод, обеспечивающее самые жесткие (окончательные)

распределения искомых функций" напора и концентрации. Рассмотрены квазитрехмерные модели, построенные с учетом ■ предпосылки Гиринского-Мятиева о равенстве напоров по вертикали в любой точке (х, у) каждого зодоносного пласта и • нормальном к кровле и подошве направлении скорости фильтрации в разделяющих пластах.

При моделировании переноса загрязнения через'почву и зону аэрации интерес представляет только прямая задача: задан поток влаги и загрязняющих веществ на поверхность земли, -требуется получить пространственно-временную.зависимость запаса влаги и концентрации загрязняющих зешестз а толще земли и временную зависимость поступления вода и загрязняющего вешестза в верхний горизонт подземных вод. Моделирование этого процесса включает в себя решение задачи о диффузии влаги в вертикальном слое земли и задачи переноса загрязняющего вещества потоком воды (включая его сорбцию, десорбцию и трансформацию). Для решения этих задач предлагается использовать модель, в которой ! предполагается, что в пределах каждого генетического горизонта | почва представляет .собой гомогенное пористое вещество. Для | описания динамики воды применяется одномерное уравнение непрерывности.

В четвертой главе построена гесинфсрмационная модель экологической ситуации для региона с высокой концентрацией

I

нефтехимической промышленности района южного Башкортостана.

3 качестве пространственной основы при построении геоинформационной модели территории региона использовались следующие материалы:

Моделирование загрязнения атмосферы: расчет фактора разбавления в модели Гаусса При мгновенном точечном выбросе:

..2

Gtt(x,y,z,f)=--ехр(- ¿2LJJiL - _Х_),

(2Я) ®«усг 2 о 2в

/ / (z-h^u. / (z + h)2..

При кратковременном точечном выбросе: 7

G0(x,y,z) = __£!*!_ехр(.. (ехР(- J5J21) + exp(-

(2л)ааги 2 cy 2 Gz 2

x, у, z - координаты и - скорость ветра

f - время, прошедшее после выброса

F(x) - функция истощения облака

<т ,ст ,<т - среднеквадратичные уклонения в облаке

х у z выброса h - высота на расстоянии« х

расчет фактора разбавления по К-теории При мгновенном точечном выбросе для однородной атмосферы (К; (x,y,z) = const)

1 1 (x-ut)2 у2 z2

(4Jtt) (KxKyKj) ^x ^y ^z

Обозначения:

х,у,г - координаты

* - время, прошедшее после выброса

Кх, Ку, Кг- коэффициенты активности вдоль осей

и - скорость ветра

- топографическая карта региона;

- космические снимки территории региона;

- карта-схема расположения основных источников и реципиентов загрязнения.

Проблема совместимости данных решалась путем

трансформации карто'графичесских проекций и приведения их к единой топооснове. Проблема достоверности решалась путем сопоставления данных с космическими снимками земной поверхности (рис.4).

Для информации о естественной и антропогенной пространственной структуре территории региона была выбрана растровая форма представления; для сведений о расположении различных объектов - векторная с привязкой к соответствующим базам содержательных данных, описывающих эти объекты.

■Карты информационных слоев уровня выполнялись в единой системе прямоугольных декартовых координат, снабжались соответствующими легендами, названиями, а также - семейством надписей и цветовой палитрой, задающей способ визуализации карты на экране дисплея и/или бумажном носителе. Есе информационные -л. слои бцли организованы единым образом и использовали одинаковые форматы и системы-кодирования данных, что позволило применять для обращения к ним одни и те же программные средства.

На основе разработанных методов подготовлена и принята программа совместных российско-вьетнамских

научно-исследовательских работ в области исследования природных ресурсов земли ... с использованием средств дистанционного зондирования и мониторинга окружающей среды на территории СРВ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие результаты:

- проанализированы, отобраны и реализованы методы восстановления пространственных полей концентраций химических загрязняющих веществ на всей территории путем интерполяции результатов измерений, проведенных в наборе пространственно-временных точек;

- проанализированы, отобраны и реализованы методы

Рис 4. Совместная обработка

данных дистанционного зондирования и

приземных наблюдений

определения эквивалентных источников выброса загрязняющих веществ в природные среды по данным измерений концентраций на территории региона;

- разработаны и реализованы методы интеграции данных дистанционного зондирования и приземных измерений;

- разработаны и реализованы методы координационной привязки информацию! об экологических процессах к информации, отображающей строение территории региона;

- разработаны и реализованы методы построения карт химического загрязнения территории региона на основе локальных данных наземных наблюдений и измерений и результатов дистанционного зондирования территории i

- разработано и реализовано математическое обеспечение СЭМ для региона с высокой концентрацией предприятий нефтехимической промышленности

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Lai Anh Khoi,' Hoang Viet Giao...: Nhung ket qua buoc dau trong viec xay dung bo chuong trinh xu- ly anh vien tham tren may vi tinh IBM/PC. '(Первоначальные результаты в составлении системы программ для обработки изображений на персональном компьютере IBM/PC. Материалы научной конференции комитета космических исследований,Ханой, 2-1989 г.)

2. Ngo Tuan Dung, Pham Viet Cuong, Hoang Viet Giao. Application of Remote Sensing Techniques in the Study Natural Conditions Changes for Rational Utilization in the HANAMNINH Coastal Zone. Regional Seminar on remote Sensing Application to Coastal! Zone and Fisheries Management, Bejing (China), 5-1990. i

3. Lai Anh Khoi, Hoang Viet Giao...: Xay dung bo chuong trinh xu ly anh vien tham cho cac may vi tinh IBM/PC (Составление системы программ для обработки аэрокосмических изображений на персональных компьютерах IBM/PC. Журнал геодезии и картографии, N 1, 1991) 1

4. Ярыгин Г.А., Хоанг Вьет Зао и др. Программа первичной обработки информации для автоматического поста мониторинга атмосферного воздуха: С++. Депонировано отраслевым фондом

алгоритмов и программ, инв.Ы 93.114/ОФАП-МАЭ, per.N ГОСФАП-82.0017114.93, ЦНИИАИ.

5. Ярыгин Г.А., Хоанг Вьет Зао и др. Программный комплекс центрального поста автоматической системы контроля загрязнений атмосферного воздуха региона: С++. Депонировано отраслевым фондом алгоритмов и программ, инв-N 94.026/ОФАП-МАЭ, per.N ГОСФАП-82.0017026.94, ЦНИИАИ.

6. Ярыгин Г.А., Хоанг Вьет' Зао и др. Оценка и прогнозирование экологической ситуации в регионе на основе интеграции данных дистанционного зондирования и приземных наблюдений. Журнал геодезии и картографии, N 1, 1995.