автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Программно-алгоритмическое обеспечение ИИС экологического контроля водных объектов с использованием геоинформационных технологий

На правах рукописи

Микушина Вера Николаевна

ПРОГРАММНО-АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИИС ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5 НОЯ 2010

Санкт-Петербург - 2010

004614099

Работа выполнена на кафедре Информационноизмерительных систем и технологий Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Куракина Наталия Игоревна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Ляпин Константин Константинович

кандидат технических наук, доцент Коршунов Игорь Львович

Ведущая организация:

Российский государственный

гидрометеорологический

университет

Защита состоится » ноября 2010 года в на заседании по защите

докторских и кандидатских диссертаций Д 212.238.06 в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университет «ЛЭТИ» по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д.5, аудитория £!Р/

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 22 октября 2010г

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций

А.М. Боронахин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационного исследовании

С каждым днем все более актуальной проблемой мирового сообщества становится возрастающий риск для жизни и здоровья человека из-за снижения качества окружающей природной среды, постоянной угрозы крупных техногенных катастроф и деградации природных экосистем. Требуется проведение систематических и экстренных работ по оценке качества природных, в том числе и водных объектов и для установления характеристик загрязнения при планировании мер по устранению или нейтрализации действия загрязняющего вещества.

Сбор данных об окружающей среде и эффективное использование полученной информации приобретают все большее значение. Пространственно - временная динамика природных объектов требует регулярного выполнения серий измерений, накопления статистических данных с максимально полным описанием условий их получения с целью обеспечения возможности их использования для решения широкого круга как фундаментальных, так и прикладных задач оценки состояния объектов окружающей среды и отслеживания происходящих в них изменений. Состояние каждого водного объекта и его взаимосвязи описываются множеством качественных и количественных характеристик, сбор которых обходится дорого. Необходим метод, позволяющий сократить количество проводимых измерений с сохранением гарантии получения информации, необходимой для принятия корректных управленческих решений при проведении оценки состояния водных объектов. Это позволит снизить затраты материальных и временных ресурсов (топливо, реактивы, рабочее время специалистов).

Особо остро эти вопросы встают при аварийных и чрезвычайных ситуациях. Сокращение времени воздействия загрязняющего вещества и его объема в водном объекте сокращает вероятность перехода объекта в невосстанавливающееся состояние. После установления местонахождения зоны с максимальным присутствием загрязняющего есть возможность установить источник загрязнения.

Методика ведения мониторинга с целью поиска зоны максимального загрязнения должна быть адаптирована под аппаратно-техническую базу, применяемую при экологическом контроле. Систему экологического контроля в целом целесообразно построить в классе автоматизированных информационных систем, в которых используются последние достижения в области информационных и коммуникационных технологий, интеллектуальных систем, систем компьютерного моделирования - в классе геоинформационных систем (ГИС). ГИС обеспечит организацию хранения и обработки

пространственных и статистических данных о природном объекте. Средства визуализации данных ГИС позволят наглядно отображать пространственные свойства, а также информацию о ходе и результатах мониторинга в различных комбинациях, зависящих от решаемых на данный момент задач.

Актуальность диссертационного исследования обусловлена необходимостью сокращать расходы материальных и временных ресурсов на проведение экологического контроля с сохранением достоверности результатов, повышения эффективности мер по нейтрализации действия загрязняющих веществ, определения источника сбросов загрязняющего вещества после установления наличия факта такового.

Цель диссертационного исследования заключается в разработке методического и информационного обеспечения системы экологического контроля водных объектов для получения достоверных результатов об их состоянии, в создании геоинформационной системы пространственного анализа загрязнения водоемов с целью повышения эффективности проводимых исследований.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Классификация и сравнение методов планирования измерительного эксперимента для нахождения экстремума при решении задачи определения локальной зоны максимального загрязнения.

2. Анализ внешних факторов, определяющих местонахождение зоны максимального загрязнения; исследование их влияния на измерительный эксперимент; разработка подхода к учету внешних факторов при проведении экологического контроля с целью поиска зоны максимального загрязнения.

3. Разработка методики ведения экологического контроля водных объектов при помощи мобильных средств с учетом морфометрических свойств водного объекта, наличия ветровых и внутренних течений и особенностей применяемых технических средств.

4. Формулировка и обоснование критерия выбора оптимального режима ведения экологического контроля для обеспечения требуемой точности.

5. Разработка геоинформационной модели системы контроля водных объектов, учитывающая специфику влияния внешних факторов на качество воды исследуемого водного объекта.

6. Создание программной системы пространственного анализа загрязнения водоемов с использованием геоинформационной системы (ГИС).

Основными методами исследования в работе явились методы планирования эксперимента, методы анализа и обобщения данных, метрологический анализ,

современные средства математико-статистической обработки данных, методы математического и геоинформационного моделирования, организации баз пространственных данных и принципы объектно-ориентированного программирования. На защиту выносятся:

- Подход к учету внешних факторов, определяющих нахождение зоны максимального загрязнения при проведении измерительного эксперимента.

- Методика ведения мониторинга водного объекта при помощи мобильных средств с целыо поиска зоны максимального загрязнения с учетом морфометрических и гидрологических свойств водоемов, а также особенностей технических средств экологического контроля.

- Геоинформационная модель системы контроля экологического состояния, учитывающая специфику пространственно-распределенного объекта.

- Критерии выбора оптимального режима ведения экологического ко I про ля водного объекта с целью обеспечения требуемой достоверности определения местонахождения зоны максимального загрязнения.

Научная новизна

1. Разработанный подход к учету внешних факторов позволяет определять нахождение зоны максимального загрязнения в водном объекте при наличии внутренних и ветровых течений, учесть параметрические данные о водном объекте.

2. Разработанная методика ведения экологического контроля водного объекта при помощи мобильных средств позволяет с требуемой достоверностью определить местонахождение зоны максимального загрязнения.

3. Разработанная геоинформационная модель системы контроля, учитывающая специфику исследуемого пространственно-распределенного объекта, его морфометрические и гидродинамические данные служит основой для специализированного программного обеспечения информационной поддержки ведения экологического контроля.

4. Сформулированные критерии выбора оптимального режима экологического контроля водного объекта позволяют определить местонахождение зоны максимального загрязнения с требуемой точностью и учесть ресурсные (временные и материальные) ограничения на проведение исследования.

Достоверность научных положений и выводов подтверждена непротиворечивостью полученных результатов данным в литературных источниках, корректным применением современных методов математико-статистической обработки исходных данных.

Теоретическая и практическая значимость полученных результатов исследований состоит в возможности использования разработанной методики ведения мониторинга водного объекта при помощи мобильных средств с целью поиска зоны максимального загрязнения как при устранении последствий ЧС, так и для их предупреждения и предотвращения. Осуществлена адаптация измерительного эксперимента к реальным природным процессам, применительно к конкретному водному объекту - акватории восточной части Финского залива. Разработанная структура геоинформационной модели может быть применима к различным водным территориям для большого числа задач, решаемых при использовании геоинформационных технологий в рамках экологических вопросов.

Реализация и внедрение результатов исследования

Результаты работы применяются в Балтийской дирекции по техническому обеспечению и надзору на море в процессе практической деятельности проводимой в соответствии с планом природоохранных мероприятий Росприроднадзора: «Мониторинг состояния загрязнения вод и биоты Невской губы и восточной части Финского залива», а также разработанные научные результаты легли в основу разработки системы мониторинга водных объектов в ООО «НордГидро».

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на международном конгрессе «Цели развития тысячелетия» и инновационные принципы устойчивого развития качества регионов (Голицыно, ноябрь 2009г.), VII семинаре "Использование ГИС для управления территориями, городами, предприятиями" (Анапа, 2009г.), на всероссийском конкурсе инновационных проектов студентов и аспирантов (Москва, сентябрь 2006г.), на региональной конференции «Проблемы прогнозирования и предотвращения ЧС и их последствий» (Санкт-Петербург, ноябрь 2005г.; ноябрь 2006г.), на 7-ой научно-практической конференции пользователей ГИС ESRI и Leica Geosystems Северо-Западного региона России (Санкт-Петербург, май, 2006г.).

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 10 статьях и докладах, все по теме диссертации, среди которых 2 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК. Доклады доложены и получили одобрение на 6 международных, всероссийских и межвузовских научно-практических конференциях перечисленных в конце автореферата.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 144 страницах машинописного текста, включает 13 таблиц, 49 рисунков. Список цитируемой литературы из 109 наименований, среди которых 101 отечественных и 8 иностранных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены цель и задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе показано, что учет приоритетных факторов, определяющих качество воды, повышает эффективность ведения экологического контроля и создает оптимальные условия для определения корректирующих действий с целью обеспечения рационального водопользования и охраны окружающей среды.

Произведена классификация составляющих характеристики качества воды, описаны основные источники загрязнения водных объектов, обоснована необходимость проведения систематических наблюдений за экологическим состоянием водных объектов. При этом выявлено, что традиционные методы контроля имеют принципиальный недостаток - они не оперативны, характеризуют загрязнение водного объекта только в местах отбора проб, не отслеживают динамику происходящих изменений, не влияют на эффективность принимаемых мер по устранению воздействия загрязнения в силу того, что не определяют местонахождение зоны максимального загрязнения. Для оперативного контроля за состоянием водных объектов целесообразно использовать лаборатории, установленные на борту небольших водных судов (патрульных катеров), но при этом следует учитывать все особенности применяемых технических средств при проведении мониторинга. Проведен анализ технических средств экологического контроля, выявлены характеристики, подлежащие учету при разработке методики экологического контроля:

• средняя скорость движения судна,

• габаритные размеры,

• установленное на борту контрольно-измерительное оборудование,

• характеристики используемой системы позиционирования.

В качестве объекта для апробации решаемых задач выбран Финский залив. Показано, что особенности расположения Финского залива, антропогенная нагрузка на него обуславливают необходимость не только в систематическом проведении мониторинговых работ, но и в оперативных работах, направленных на обнаружение, выявление причин и

объемов аварийных или незаконно сброшенных загрязнений. На основе проведенного анализа результатов многолетнего контроля экологического состояния Финского залива выделены приоритетные факторы, которые следует анализировать при оценке качества воды в заливе.

Исследованы гидрологические и морфометрические характеристики Финского залива. Систематизированы данные скорости и направления течений водных масс. Установлено, что динамика вод преимущественно определяется атмосферными процессами и временами года. Скорости ветровых течений в целом не велики, в 90% случаев они не превышают 20-25 см/с в открытой части залива и 15-20 см/с в прибрежной зоне. Путем наложения векторов ветровой составляющей на поле квазипостоянных стоковых течений сформированы поля суммарных поверхностных течений в зависимости от:

- направления ветра (рассмотрено 8 основных направлений ветра - северный, северно-восточный, восточный, юго-восточный, южный, юго-западный, западный, северозападный),

- скорости ветра (для значений 5,10, 15 и 20 м/с),

- времени года.

На основе проведенной классификации построены карты течений, которые служат основой для создания гидрологической модели водного объекта в геоинформационной среде (Рисунок 1).

рашоваешшетииишшишиююашяи^ ...... лщ

Рисунок 1 . Карта-схема суммарных течений в акватории восточной части ФЗ

Во второй главе рассматриваются методы планирования измерительного эксперимента, выбирается метод для проведения экологического контроля водного объекта с целью поиска зоны максимального загрязнения.

Планирование эксперимента - это целенаправленное управление, которое реализуется в условиях неполного знания механизма изучаемого явления. При проведении экологического контроля невозможно и не рационально проводить полный перебор входных или выходных состояний. Целесообразно делать выбор количества измерений в эксперименте непосредственно во время ведения мониторинга в зависимости от получаемых результатов (откликов системы). Таким образом, есть необходимость проведения оптимизации измерительного процесса при проведении экологических исследований водных объектов.

Главный критерий выбора метода планирования экологического эксперимента с целью поиска зоны максимального загрязнения - число проводимых отборов проб Nltpt„-,: их должно быть наименьшее количество при сохранении гарантии получения достоверных результатов (дг^ _> min).

Рассмотрены две группы методов планирования измерительного эксперимента: градиентные и неградиентные. Градиентные методы сильно уступают неградиентным при проведении сравнения по указанному критерию

Измерительный эксперимент строится на изменении входных факторов X (координат мест отбора проб) и количественной оценки откликов системы (значений

концентрации загрязняющего вещества), при этом решается задача определения нахождения зоны максимума отклика: У(Х) ->тах

С учетом критерия по количеству проводимых отборов проб из группы неградиентых методов планирования эксперимента выбран симплекс-метод. Он полностью соответствует требованию, является помехоустойчивым, эффективным и позволяет не только определять нахождение максимума, но и отслеживать его положение, если экстремум медленно смещается.

При использовании симплекс-метода движение к оптимуму осуществляется последовательным отражением вершин симплекса с худшими значениями оклика. С этой целью следует провести измерения отклика Y во всех вершинах симплекса и сопоставить получившиеся значения У^Уг—Уп*!* выделив среди них наименьшее >',,: >',, = min^,,y2...>'„t|}. Шаг поиска осуществляется переходом от данного симплекса к новому путем исключения вершины xq, где отклик у минимален, и определения новой

вершины х°, представляющей собой зеркальное отражение хч относительно грани, общей обоим симплексам. Многократное отражение вершин с худшими значениями отклика приводит к постепенному перемещению центра симплекса к экстремуму по некоторой ломаной линии. После проведения эксперимента в вершинах исходного симплекса на каждом шаге поиска требуется реализовать всего один дополнительный опыт, что и обеспечивает выполнение требования: л/|<яМ -> min.

Показано, что для ведения мониторинга водных объектов необходимо ввести в симплекс-метод корректировку на наличие постоянных и ветровых течений, учесть морфологические свойства водного объекта и особенности применяемых технических средств контроля:

Г У(.Х)->тах

1 XrAG^Py^J,

где GBO - гидрологические свойства водного объекта, Р - ресурсные ограничения, VH!) - морфологические свойства водного объекта, Тиы- особенности применяемых технических средств.

Третья глава посвящена разработке методики ведения экологического контроля водных объектов при помощи мобильных средств с целью поиска зоны максимального загрязнения.

Разработан подход учета внешних факторов, влияющих на местоположение зоны максимального загрязнения. Рассмотрено влияние морфометрических свойств водного объекта, гидрологического режима водоема и ряда особенностей применяемых технических средств.

Все природные объекты, в том числе и водные, имеют пространственные границы. В процессе проведения экологического контроля следует рассматривать еще и границы, в пределах которых возможно реализовать измерительные процедуры используемыми техническими средствами: осуществить отбор проб воды и провести лабораторный анализ ее состава.

Пусть область D определяется границами исследуемого природного водного объекта. При проведении экологического контроля (Рисунок 2) область определения координат пунктов отбора проб (фактора X ) будет иметь значение D, скорректированное за счет габаритных размеров применяемого патрульного судна, а также особенностей размещения на нем отборного и измерительного оборудования: D* ~ D - La - Ls , (1)

где ¿л - длина судна. 1о определяется осадкой судна и изменением глубины (рельефом дна) водного объекта у береговых линий, выражает расстояние от берега, ближе которого исследовательское судно не может подойти к берегу.

Рисунок 2. Ограничения, вызванные особенностями технического средства.

При рассмотрении динамического взаимодействия пограничных слоев «вода - воздух» появляется следующий фактор, влияющий на распространение загрязняющих веществ в водоеме - ветровые волны. Помимо ветровых волн присутствуют и течения, переносящие загрязняющие вещества и этот фактор также требует специального рассмотрения. Для учета перечисленных влияющих факторов при ведении мониторинга водных объектов необходимо ввести в симплекс-метод корректировку на наличие постоянных и ветровых течений, учесть пространственные свойства природного объекта, а также параметры технического средства контроля.

Экологический контроль с целью поиска зоны максимального загрязнения начинается с момента обнаружения превышения порога удельной электрической проводимости (УЭП) и пульсационного значения УЭП водной среды. Далее осуществляется отбор проб и гидрохимический анализ, выявляется, какое загрязняющее вещество имеет превышенные концентрации. По установленному загрязнителю начинается процедура поиска зоны максимального загрязнения.

Отбор проб и измерение концентраций с,,с,,с, производится в пунктах, в пространственной плоскости располагающихся в вершинах треугольника (симплекса) -(.v,, V|),(.r-,,.v2),(*,,у,). После того, как произведен выбор точки симплекса, в которой концентрация загрязняющего вещества имеет наименьшее значение: cg =mm(c,.c,.c-,), производится расчет координат нового пункта отбора проб по выражениям:

у1ах/)1 + УдС^Д + .1-, - л.

(3)

Получив значение координат (л,,у,) - точка В на рисунке 3, необходимо провести корректировку для определения координат <*•,./,) следующего места отбора проб (точка С на рисунке) на суммарное течение, состоящее из внутреннего и ветрового.

Рисунок 3. Варианты расположения скорректированной точки (С) в зависимости от направления течения (а)

Угол а определяется исходя из направления вектора течения (определяется по картам суммарных течений). Расчет координат (,т'3,у,) точки отбора проб производится по формулам:

х', = х, ± (1СВ с(к а = л, ±сова V,,

у\ = у, ± (¡с, .«п а = у, ± а V,,

V

мт

(4)

(5)

где - суммарная скорость течения, средняя скорость движения мобильного технического средства, (х,,у,) - координаты точки А на рисунке 3.

Значения полученных координат новой вершины (.*',. У.<> проверяется на принадлежность к области определения О*. Если точка не принадлежит области определения (л', ,уз)еО*, то увеличивается значение счетчика числа «отброшенных» вершин симплекса N, производится возврат к предыдущему симплексу и движение в сторону второго наименьшего значения.

После получения нового симплекса проводится проверка на выполнение признака окончания процедуры поиска. Зона максимального загрязнения будет найдена при выполнении следующего условия: в 4-N последовательных положениях сохраняется одна общая точка.

При невыполнении условия продолжается выбор наименьшего значения концентрации загрязняющего вещества, построение нового симплекса, проверка признака окончания процедуры и т.д.

Если в двух вершинах симплекса концентрации загрязняющего вещества одинаковые, то решение принимает эксперт, основываясь на информации, нолученной в ходе предыдущих измерений.

Если наблюдение в зеркальной точке нового симплекса снова окажется наихудшим, с наименьшим среди значений отклика во всех вершинах этого симплекса, то формальное применение правила (отражение вершины с наименьшим значением отклика относительно противоположного ребра симплекса) вновь приведет в отброшенную вершину предыдущего симплекса. Тогда вместо движения к оптимуму возникают колебания симплекса относительно одной и той же грани. Чтобы избежать их, следует вернуться к старому симплексу, отбросить в нем другую вершину со вторым наименьшим значением отклика, то есть худшую из оставшихся Звершин - без учета ранее использовавшейся с наименьшим значением отклика. Это правило следует применять многократно путем постепенного перебора вершин данного симплекса до тех пор, пока симплекс перестанет колебаться и вновь начнется перемещение в факторном пространстве.

Подход к учету внешних факторов, определяющих нахождение зоны максимального загрязнения, основан на выявлении и использовании при проведении экологического контроля значений внутренних и ветровых течений в водном объекте, параметрических данных о водном объекте и накладываемых ресурсных ограничений.

Блок схема алгоритма экологического контроля водных объектов с целью поиска зоны максимального загрязнения представлена на Рисунке 4.

Проведенный метрологический анализ показал, что точность определения местонахождения зоны максимального загрязнения в основном определяется размером шага (ребра) симплекса ЬЛ.

Рисунок 4. Блок-схема алгоритма поиска зоны максимального загрязнения

При планировании и проведении экологического контроля водного объекта размер шага должен выбираться экспертом в зависимости от:

• вида загрязняющего вещества, а точнее времени проведения экспресс-анализа измерения концентрация при безостановочном режиме движения катера:

V

иди ииа ытсра

• требований по точности определения зоны локализации загрязнения,

• ресурсных ограничений - числа доступных для проведения измерительных процедур л^: ¡¡^ < | , где - площадь поверхности водного

объекта,

• морфометрических свойств водного объекта: длина шага симплекса должна быть вдвое меньше самого узкого (короткого) участка водной поверхности.

Суммарная погрешность определения местоположения зоны максимального загрязнения определяется из выражения:

лсум. = + о. I э _ ,,/(*„ - +(у, - .ь, Г- ■ где 6оп- погрешность определения

географических координат применяемой системой позиционирования.

Разработанная методика поиска зоны максимального загрязнения служит основой для специализированного программного обеспечения информационной поддержки ведения экологического мониторинга

В четвертой главе на основе методики разработана структура информационно-измерительной системы и программный модуль экологического контроля водных объектов с использованием геоинформационных технологий.

В основе информационно-измерительной системы лежит геоинформационная модель системы контроля водного объекта. Организационная структура геоинформационной модели включает пространственную топооснову, базу данных результатов контроля, нормативную базу, физическую и гидрологическую модели анализируемых водных объектов.

Гидрологическая модель водного объекта построена на основании слоя водосбора, в нем выделятся береговая линия, мель и острова для определения области факторного пространства. Для корректного учета влияния внешних факторов на водный объект площадь его поверхности разбивается на участки, каждому участку ставится в соответствие код, по которому производится связывание данных о внешних факторах. Построенная модель суммарных течений сохраняется в базе геоданных.

В состав информационно-измерительной системы включен программный модуль пространственного анализа загрязнения водоемов, реализующий разработанную методику поиска зоны максимального загрязнения. Разработанный модуль позволяет в автоматизированном режиме осуществлять ввод данных о проведенных измерениях (результаты и сопутствующую информацию), производит обращение к базе данных гидрологических параметров водного объекта, осуществляет расчеты для определения координат следующей точки отбора проб и отслеживает по признакам окончание процедуры поиска зоны максимального загрязнения (Рисунок 5).

Для апробации методики экологического контроля были разработаны модели загрязнения водного объекта с учетом различных вариантов пространственного

распространения загрязняющего вещества. Полученные результаты сопоставлены с классическим способом поиска зоны загрязнения галсами. В результате применения разработанной методики эффективность поиска увеличилась почти в 4 раза для модели загрязнения в стоячей воде и в 3 раза при наличии течений.

Рисунок 5. Проведение поиска зоны максимального загрязнения средствами ГИС системы экологического контроля.

В заключении приводятся итоги работы, перечисляются полученные научные и практические результаты, раскрывается степень их достоверности, указываются сведения о реализации научных результатов, а также предложения по дальнейшему использованию результатов исследования, отмечаются нерешенные вопросы, которые могут служить предметом дальнейших исследований.

Решение задач диссертационного исследования позволило получить новые научные и практические результаты:

• Проведен сравнительный анализ методов планирования эксперимента для поиска зоны максимального загрязнения, выбран симплекс-метод как обладающий наибольшей помехоустойчивостью, эффективностью и позволяющий работать в нестационарных условиях

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Выделены приоритетные факторы, которые следует анализировать при оценке качества воды, что повышает эффективность ведения контроля и создает оптимальные условия для определения корректирующих действий по предотвращению загрязнений. Предложены подходы к учету морфометрических и гидрологических свойств водного объекта, а также особенностей технических средств экологического контроля. Разработана методика планирования измерительного эксперимента с целью поиска зоны максимального загрязнения.

Проведен метрологический анализ результатов, позволивший сформулировать правила выбора режимов работы мобильных средств, а также оценить достоверность получаемых результатов.

Разработана геоинформационная модель системы контроля, учитывающая специфику пространственно - распределенного объекта и влияние внешних факторов, являющаяся основой информационной поддержки экологического контроля водных объектов. Создана программная система, позволяющая в автоматизированном режиме, в реальном времени сопровождать измерительный эксперимент, визуализировать результаты на карте в среде ГИС.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Росии:

1. Информационно-измерительная система экологического контроля водных объектов с использованием геоинформационных технологий // Приборы №9 (123), 2010, С .49-51.

2. Микушина В.Н., Куракина Н.И. Методика ведения мониторинга водных объектов на базе геоинформационных технологий // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» №8, 2010. С 85-88.

Другие статьи и материалы конференций:

3. Микушина В.Н. Планирование измерительного эксперимента с использованием ГИС технологий // Сб. материалов Международного симпозиума «Новые информационные технологии и менеджмент качества», Турция, 2009, С. 83.

4. Микушина В.Н, Минина A.A. Мониторинг, моделирование и управление водохозяйственными системами в среде ГИС // Сборник трудов VII семинара "Использование ГИС для управления территориями, городами, предприятиями", Анапа, 2009. С. 56-58.

5. Иващекко О.А, Микушина В.Н. Система хранения, обработки и представления распределённой экологической информации на базе геоинформационных

технологий II Материалы международного конгресса «Цели развития тысячелетия и инновационные принципы устойчивого развития Арктических регионов», 13-14 ноября 2009, С 82-85.

6. Микушина В.Н. Обработка результатов измерений экологического состояния водных объектов с использованием геоинформационных систем // Информационные технологии моделирования и управления. Воронеж: Научная книга, 2007. С.1015-1018.

7. Емельянова В.Н., Куракина Н.И., Коробейников С.А. Пространственное моделирование загрязнения водных объектов // ArcReview №1 (36), 2006. С.12-13.

8. Емельянова В.Н. Геоинформационная система пространственного моделирования экологического состояния водных объектов // Сборник материалов 7 научно-практической конференции пользователей ГИС ESRI & Leica Geosystems Северо-Запада, СПетербург, 2006, С. 43-46.

9. Емельянова В.Н., Куракина Н.И., .Пузанов П.И. Пространственный анализ состояния природных объектов на базе ГИС // Сборник трудов Региональной научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования и предотвращения ЧС и их последствий», Санкт-Петербург, 2006, С.58-60.

10. Емельянова В.Н., Куракина Н.И. Пространственное моделирование загрязнения природных объектов с использованием геоинформационных систем // Сборник трудов- Региональной конференции «Проблемы прогнозирования и предотвращения ЧС и их последствий», СПб, 2005. С.46-47.

Подписано в печать 21.102010 г. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Печать офсетная. Уся. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 42

Типография «Восстания -1» 191036, Санкт-Петербург, Восстания, 1.

Основные обозначения и сокращения.

Введение.

Глава 1 Экологический контроль природных водных систем.

1.1. Классификация систем мониторинга.

1.2. Характеристика факторов, определяющих качество водных систем

1.3. Мобильные средства экологического контроля.

1.3.1. Катер ПСК-1412.

1.3.2. Патрульный катер экологического контроля "Экопатруль-1".

1.4. Характеристика объекта исследования.

1.4.1. Характеристика антропогенной нагрузки на акваторию Финского залива

1.4.2. Исследование динамики вод в акватории Финского залива.

Выводы.

Глава 2 Планирование измерительного эксперимента для нахождения зоны максимального загрязнения природного объекта.

2.1. Классификация методов теории планирования эксперимента для поиска экстремума функции отклика.

2.2. Градиентные методы поиска экстремума функции отклика.

2.2.1. Метод градиента.

2.2.2. Метод крутого восхождения.

2.2.3. Метод сопряженных градиентов.

2.3. Неградиентные методы поиска экстремума функции отклика.

2.3.1. Метод Гаусса-Зайделя.

2.3.2. Методы случайного поиска.

2.3.3. Сим плексный метод поиска.

Выводы.

Глава 3 Разработка методики ведения экологического контроля водных объектов. Метрологический анализ.

3.1. Учет пространственных свойств водного объекта и особенностей технических средств проведения экологического контроля.

3.2. Учет влияния ветра и течений при поиске зоны максимального загрязнения.

3.3. Критерии определения длины ребра симплекса.

3.4. Методика планирования маршрута движения мобильной лаборатории при проведении экологического контроля состояния водного объекта с целью поиска зоны максимального загрязнения.

3.5. Метрологический анализ результатов определения зоны максимального загрязнения.

Выводы.

Глава 4 ИИС ведения экологического контроля водных объектов с использованием ГИС.

4.1. Анализ существующих ГИС. Выбор профессиональной системы.

4.2. Построение ИИС экологического контроля на ГИС основе.

4.3. Геоинформационная модель системы контроля.

4.3.1. Пространственная топооснова.

4.3.2. База данных результатов контроля.

4.3.3. Нормативная база данных.

4.3.4 Гидрологическая модель водного объекта.

4.4. Апробация методики ведения экологического контроля с целью поиска зоны максимального загрязнения.

4.4.1. Апробация методики ведения экологического контроля у береговой линии.

4.4.2. Апробация методики ведения экологического контроля с учетом течений.

4.4.3. Сравнение классического и предлагаемого подходов.

Выводы.

С каждым днем все более актуальной проблемой мирового сообщества становится возрастающий риск для жизни и здоровья человека из-за снижения качества окружающей природной среды, постоянной угрозы крупных техногенных катастроф и деградации природных экосистем, непомерного груза отходов производства и потребления.

Недостаточным оказалось развитие ресурсосберегающих технологий, обеспечение технологических процессов эффективными системами очистки, а также нормативно-правовыми ограничительными мерами, предусмотренными законодательством. Вопрос контроля за состоянием окружающей среды остается актуальным и требует как систематических, так и экстренно проводимых работ экологического контроля.

Проведение экологического контроля направлено на сбор информации о свойствах и показателях качества природных объектов. Теория проведения исследований должна строиться с учетом ряда особенностей, которыми обладают природные объекты.

Одной из существенных особенностей природных объектов является наличие пространственных свойств. Для анализа таких объектов важны учет их размеров, геометрической формы и расположения относительно других пространственных объектов исследования. Кроме того, любой природный объект постоянно находится в состоянии динамики (изменений), вызванной как изменением факторов среды, то есть внешними возмущениями, так и внутренними процессами.

Состояние каждого природного объекта и его взаимосвязи описываются множеством качественных и количественных характеристик. Как правило, описание природного объекта представляется в виде многомерных массивов данных. Считается, что, для полного описания обстановки в Мировом океане потребуется определить более 3000 показателей из различных групп [18].

В природе нет таких объектов, которые могли бы существовать изолированно от других. Изоляция на любом уровне развития жизни ведет к гибели. В этой связи и возникает необходимость и даже потребность рассмотреть взаимосвязи, складывающиеся' в природных объектах и между ними. Учет пространственных свойств хотя и усложняет процедуры анализа, но позволяет использовать дополнительную информацию, например, геологическое строение, рельеф, климат, природные воды, почвы, биоту, отрасли хозяйства и т.д.

Степень взаимовлияния' пространственных связей зависит от степени близости и доступности природных объектов. Зачастую перенос вещества из одного природного объекта в другой реализуется' через» преодоление расстояния, которое может являться существенным, ограничительным фактором для взаимовлияния. Реальное расстояние - длина пути перемещения субстанции^ может зависеть от пересеченности местности, формы и крутизны-склонов, извилистости русла реки, наличия'естественных и искусственных препятствий и т.д. И" интенсивность, пространственно -временных связей зависит также от характера разделяющего пространства1 (океан, песчаная пустыня-и т.д.), а в ряде случаев-и от ориентации связующих,-потоков, направлений воздействий (широтное, субширотное, северовосточное, восточно-южное, и т.п.).

Пространственные" взаимосвязи- наиболее интенсивны и разнообразны при непосредственном контакте между смежными природными объектами (суша и море, горы и предгорные равнины).

Почти все загрязняющие вещества, которые первоначально попали в атмосферу, в конечном итоге оказываются на поверхности суши и воды. Оседающие аэрозоли могут содержать ядовитые тяжелые металлы - свинец, кадмий, ртуть, медь, ванадий, кобальт, никель. Обычно они малоподвижны и накапливаются в почве. Но в почву попадают с дождями также кислоты. Соединяясь с ними, металлы могут переходить в растворимые соединения, доступные растениям. В' растворимые формы переходят также вещества, постоянно присутствующие в почвах, что иногда приводит к гибели растений.

Располагая пространственной информацией об объекте можно более детально исследовать состояние природного объекта, зависящее от действий внешних возмущений. Для учета внешних воздействий нужно располагать информацией о:

• биотических факторах среды (паразитизм, инвазии, хищничество, конкуренция);

• природно-климатических факторах (солнечная активность, водность, температурный режим, ветер, бариметрия);

• антропогенных факторах (химическое загрязнение, радиационное излучение, рассеяние тепловой энергии, шум, рекреационность и прочее) [67, 68].

Например, при отборе проб воздуха нужно учитывать метеорологические факторы, так как они определяют перенос и рассеяние веществ в атмосфере, для этого фиксируют скорость и направление ветра, температуру и влажность воздуха, атмосферные явления, состояние погоды и подстилающей поверхности. Рассеяние примеси от локальных источников загрязнения зависит от многих причин, к которым в первую очередь следует отнести особенности примеси и источника, характер перемешивания атмосферы, скорость ветрового переноса, рельеф местности. Совокупность метеорологических факторов фактически позволяет оценить потенциал загрязнения атмосферы и выпадений из нее. Изучение направлений преобладающих ветров дает возможность оценки привнесения техногенных элементов, как от местных источников загрязнения, так и от удаленных на сотни километров.

Различают природное и антропогенное загрязнения. Природное загрязнение возникает в результате естественных причин - извержения вулканов, землетрясений, катастрофических наводнений и пожаров. Антропогенное загрязнение - привнесение в среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных для нее физических, химических, информационных или биологических агентов, или превышение в рассматриваемое время естественного среднемноголетнего уровня (в пределах его крайних колебаний) концентрации перечисленных агентов в среде,, нередко приводящее к негативным последствиям. Здесь подчеркивается тот факт, что в большинстве случаев загрязнение связано не с синтезом новых химических веществ (по крайней мере, на уровне химических элементов), а к их перемещению из одной точки пространства в другую. Например, концентрация меди в почве в районах ее промышленных месторождений может значительно превышать установленные нормативы, однако будучи перемещенным в другое место; медный колчедан: сразу начинает приобретать статус "загрязнения".

Промышленное загрязнение вод обусловлено выбросами предприятий и приобретает планетарный характер. Вютходах производства^ сбрасываемых в водотоки и водоемы, выбрасываемых газах в атмосферу содержится большое количество вредных и токсических веществу которые; как правило, являются трудно растворимыми и неразлагающимися. Особое, место; среди: этих загрязнителей занимают нефтепродукты и радиоактивные отходы [43].

В настоящее время общая;, мощность источников: антропогенного загрязнения, во многих случаях превосходит мощность естественных.

Загрязнение природного объекта может воздействовать различными' способами :— от прямой и немедленной угрозы до медленного и постепенного разрушения различных основополагающих процессов: в объекте. Во многих случаях загрязнение природного объекта нарушает структурные компоненты природного объекта до такой степени, что регуляторные процессы не в состоянии вернуть их в первоначальное состояние и в результате механизм гомеостаза не срабатывает.

В природных объектах, в какой-либо: степени измененных человеком, количество внутренних и внешних взаимосвязей резко возрастает (по; сравнению с неизмененными). Источник загрязнения: становится более размытым, увеличивается объем необходимой информации для проведения исследования состояния природного объекта, усложняется алгоритм обработки данных.

В процессе природопользования должна решаться двуединая задача удовлетворения потребностей человека в ресурсах природы при одновременном поддержании экологического равновесия - не превысить способность природных объектов к самоочищению, самовосстановлению и самовоспроизводству.

При определенной степени загрязнения еще возможны самоочищение и самовосстановление среды, но при переходе этих границ природный объект уже не в состоянии восстанавливаться своими силами, а при дальнейшем загрязнении жизненные процессы в нем прекращаются, объект становится мертвым.

Как указано выше, в настоящее время сбор данных об окружающей среде и эффективное использование полученной информации приобретают все большее значение. Данные об окружающей среде всегда уникальны, их сбор часто обходится дорого. Пространственно - временная динамика природных объектов требует регулярного выполнения серий измерений, накопления статистических данных с максимально полным описанием условий их получения с целью обеспечения возможности их использования для решения, широкого круга как фундаментальных, так и прикладных задач оценки состояния и динамики природных объектов.

При проведении оценки состояния природных объектов на практике необходим алгоритм, позволяющий сократить количество проводимых измерений с сохранением гарантии получения информации, необходимой для принятия управленческих решений. Это- позволит снизить затраты материальных и временных ресурсов (топливо, реактивы, рабочее время специалистов).

Особо остро эти вопросы встают при аварийных и чрезвычайных ситуациях: чем быстрее будут выявлены факты наличия загрязнения в природном объекте и установлена зона максимального загрязнения, тем быстрее будут приняты меры по очистке (применены нейтрализующие вещества или произведен физический сбор загрязнителя). Сокращение времени воздействия загрязняющего вещества и его объема в природном объекте сокращает вероятность перехода объекта в невосстанавливающееся состояние.

При установлении зоны территории природного объекта с максимальным присутствием загрязняющего вещества в нем и при наличии информации о предшествовавших природных условиях, пространственной информации об объекте, его контакте с антропогенными факторами и т. д. есть возможность установить источник загрязнения.

Это необходимо не только для прекращения выбросов из источника, но и при наличии неправомерных, нарушающих существующее законодательство действиях со стороны физических или юридических лиц позволит применять по отношению к ним соответствующие административные (штраф), или даже уголовные санкции* (исправительные работы, лишение права занимать определенную должность или заниматься определенной деятельностью, лишение свободы).

Основные объекты экологического мониторинга - почва, воздух, вода. Показатели качества водных объектов в силу описанных механизмов взаимодействия и взаимовлияния могут дать оценку и состоянию почв и воздуха. Качество водных объектов, расположенных вблизи или непосредственно в черте населенного пункта, влияет на многие сферы жизни людей и поэтому должно своевременно контролироваться и улучшаться. Разработка методологии ведения экологического контроля с целью поиска зоны максимального загрязнения будет вестись с учетом ряда свойств водных объектов.

Зачастую анализ состояния водных объектов проводят при помощи специально оборудованного водного катера, оснащенного оборудованием, позволяющим в режиме реального времени выполнять анализы воды.

Реализация взаимодействия аппаратной и программной частей позволяет автоматически заносить в базу данных (БД) измеренные значения экологических показателей с фиксированием времени отбора проб.

Алгоритм проведения экологического контроля с целью поиска зоны максимального загрязнения должен быть адаптирован под аппаратно-техническую базу, применяемую при экологическом контроле. Систему экологического контроля в целом целесообразно построить в классе автоматизированных информационных систем, в которых используются последние достижения в области информационных и коммуникационных технологий, интеллектуальных систем, систем компьютерного моделирования - в классе геоинформационных систем (ГИС). ГИС обеспечит организацию хранения и обработки пространственных и статистических данных о природном объекте. Средства визуализации данных ГИС позволят наглядно отображать пространственные свойства, а также информации о ходе и результатах мониторинга в различных комбинациях, зависящих от решаемых на данный момент задач. Все это позволит принимать взвешенные решения>по управлению экологическим состоянием водного объекта.

Цель диссертационного исследования, заключается в разработке методического и информационного обеспечения системы экологического контроля водных объектов для получения достоверных результатов об их состоянии, в создании геоинформационной системы пространственного анализа загрязнения водоемов с целью повышения эффективности проводимых исследований.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Классификация и сравнение методов планирования измерительного эксперимента для нахождения экстремума при решении задачи определения локальной зоны максимального загрязнения.

2. Анализ внешних факторов, определяющих местонахождение зоны максимального загрязнения; исследование их влияния на измерительный эксперимент; разработка подхода к учету внешних факторов при проведении экологического контроля с целью поиска зоны максимального загрязнения.

3. Разработка методики ведения мониторинга водных объектов при помощи мобильных средств с учетом морфометрических свойств водного объекта, наличия ветровых и внутренних течений и особенностей применяемых технических средств.

4. Формулировка и обоснование критерия выбора оптимального режима ведения экологического контроля для обеспечения требуемой точности.

5. Разработка геоинформационной модели системы контроля водных объектов, учитывающая специфику влияния внешних факторов на качество воды исследуемого водного объекта.

6. Создание программной системы пространственного анализа загрязнения водоемов с использованием геоинформационной системы (ГИС).

В работе использованы методы планирования эксперимента, методы анализа и обобщения данных, метрологический анализ, современные средства математико-статистической обработки данных, методы математического и геоинформационного моделирования, организации баз пространственных данных и принципы объектно-ориентированного программирования.

На защиту выносятся:

- Подход к учету внешних факторов, определяющих нахождение зоны максимального загрязнения при проведении измерительного эксперимента.

- Методика ведения мониторинга водного объекта при помощи мобильных средств с целью поиска зоны максимального загрязнения с учетом морфометрических и гидрологических свойств водоемов, а также особенностей технических средств экологического контроля.

- Геоинформационная модель системы контроля экологического состояния, учитывающая специфику пространственно-распределенного объекта.

- Критерии выбора оптимального режима ведения мониторинга водного объекта с целью обеспечения требуемой достоверности определения местонахождения зоны максимального загрязнения. Научная новизна:

1. Разработанный подход к учету внешних факторов позволяет определять нахождение зоны максимального загрязнения в водном объекте при наличии внутренних и ветровых течений, учесть параметрические данные о водном объекте.

2. Разработанная методика ведения мониторинга водного объекта при помощи мобильных средств позволяет с требуемой достоверностью определить местонахождение зоны максимального загрязнения.

3. Разработанная геоинформационная модель водного объекта, учитывающая специфику пространственно-распределенного объекта, его морфометрические и гидродинамические данные служит основой для специализированного программного обеспечения информационной поддержки экологического контроля.

4. Сформулированные критерии выбора оптимального режима ведения мониторинга водного объекта позволяют определить местонахождение зоны максимального загрязнения с требуемой точностью и учесть ресурсные (временные и материальные) ограничения на проведение исследования.

Результаты исследований опубликовано в 10 изданиях, в том числе в журналах' «Приборы» и «Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ»», рекомендованных ВАК. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 144 страницах машинописного текста, включает 13 таблиц, 49 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 109 публикаций.

Результаты работы применяются в Балтийской дирекции по техническому обеспечению и надзору на море в процессе практической деятельности проводимой в соответствии с планом природоохранных мероприятий Росприроднадзора: «Мониторинг состояния загрязнения вод и биоты Невской губы и восточной части Финского залива», а также разработанные научные результаты легли в основу разработки системы мониторинга водных объектов в ООО «НордГидро».

Потенциальными потребителями разработанного программно-алгоритмического обеспечения являются Бассейновые водные управления (БВУ), инспекции по надзору на море, комитеты природных ресурсов, Роспотребнадзор, Росприроднадзор и организации МЧС.

По теме диссертационной работы целесообразно продолжить исследования в следующих направлениях:

Рассмотреть возможность использования разработанной методики ведения мониторинга для проведения оценки экологического состояния водных объектов по комплексным показателям.

Рассмотреть наличие корреляции в процессе распространения загрязняющих веществ в водном пространстве с видом загрязнителя и установить возможность внесения уточняющих этапов в разработанную методику ведения мониторинга с целью поиска зоны максимального загрязнения.

Разработать структуру на базе ГИС сетевой информационно -измерительной системы мониторинговых измерений с возможностью одновременного сбора результатов экологического контроля с нескольких технических средств в едином центре мониторинга в режиме реального времени.

Основные теоретические положения и результаты практического освоения диссертации могут быть рекомендованы к использованию в организациях, учреждениях выполняющих федеральные, региональные и муниципальные программы экологического мониторинга водных объектов.

1. Цветкова Л.И., Алексеев М.И. Экология: Учебник для технических вузов. СПб.: Химиздат, 2001. 540 с.

2. Заболоцкая В.В. Аналитические методы численного оценивания качества воды и комплексов водоохранных мероприятий: Автореф. дис. канд. техн. наук / ВНИИВО. Харьков, 1990. 20 с.

3. Алтунин B.C., Белавцева Т.М. Контроль качества воды. М.: Колос, 1993.367 с.

4. Вадим Иванченко. Иконография земли как сумма технологий // Интернет-версия журнала «Компьютерра». 1999. №44. www.computerra.ru/offline/1999/322/3359/

5. Ванюков В.И. Геоинформационные системы что это? М.: НТФ «Трисофт», 1997. 109 с.

6. Berry J. Fundamental operations in computer-assisted map analisis. // International Journal of Geographical Information Systems, 1987, №. 1, pp. 119-136.

7. Горелик Д.О., Конопелько JI.А. Мониторинг загрязнения атмосферы и источников выбросов. Аэроаналитические измерения. М.: Издво стандартов, 1992. 432 с.

8. А. Г. Исаченко.Теория и методология географической науки: Учеб. для студ. вузов. М.: Издательский центр «Академия», 2004. 400с.

9. Д. Замятин. Метагеография: пространство образов и образы пространства. М.: АГРАФ, 2004г. 109 с.

10. М. М. Голубчик. Теория и методология географической науки: Учеб. пособ. для студентов вузов. М.: Гуманитарный издательский центр ВЛАДОС, 2005. 463с.

11. I.E. Г. Капралов, В. С. Тикунов Геоинформатика: Учеб. для студ. Вузов. М.: Издательский центр «Академия» 2005г. 480 с.

12. Иванников А. Д., Кулагин В. П. Прикладная геоинформатика. М.: МАКС Пресс, 2005. 360 с.

13. С. В. Монахов, В. П. Савиных, В.Я. Цветков. Методология анализа и проектирования сложных информационных систем. М.: Просвещение, 2005. 264 с.

14. А. А. Поляков, В. Я. Цветков. Прикладная информатика. М.: «Янус -К», 2002. 392с.

15. Шаши Шекхар, Санжей Чаула. Основы пространственных баз данных. М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2004.336 с.

16. Системный анализ и основы моделирования водных экосистем: Методические указания по изучению дисциплины и задания для контрольных работ. /Сост.: Заикина И.В., Ермаков А.И. М.: РГАЗУ, 2004. 18 с.

17. Шитиков В.К., Розенберг Г.С., Зинченко Т.Д. Количественная гидроэкология: методы системной идентификации. Тольятти: ИЭВБ РАН (Институт экологии волжского бассейна Российская академия наук), 2003.463 с.

18. Сайт «ЕСИМ единой государственной системы информации об обстановке в Мировом океане»http://data.oceaninfo.ru/info/model/proiect/elements 1. j sp

19. Исаченко А.Г. Теория и методология географической науки. М.: Издательский центр «Академия», 2004. 400 с.

20. Казаков JI. К. Ландшафтоведение с основами ландшафтного планирования: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. М.: Издательский центр «Академия», 2007. 336с.

21. Гладков Д.И. Оптимизация систем неградиентным случайным поиском. М.: Энергоатомиздат, 1984. 25 с.

22. В. И. Баранов, Б.С. Стечкин. Экстремальные комбинаторные задачи и их решения. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. 160 с.

23. Гэри М., Джонсон Д. Вычислительные машины и труднорешаемые задачи. М.: Мир, 1982. 416 с.

24. Алексеев В.В., Куракина Н.И., Желтов Е.В. Система расчета нормативов допустимого воздействия на водные объекты в среде ГИС //ArcREVIEW.2009. № 4. С. 10.

25. Некрасов A.B. Воды восточной части Финского залива// Экологическая обстановка в Санкт-Петербурге и Ленинградской области в 1966 году. Справочно-аналитический обзор. СПб.: Гидрометеоиздат. 1977. С. 6776.

26. Отчет о научно-исследовательской работе «Создание электронной версии атласа поверхностных течений для Финского залива Балтийского моря по данным натурных измерений в 60-ые годы 20 века». Санкт-Петербург

27. К анализу динамики вод Финского залива /Евдокимов С.Н., Клеванцов Ю.П., Суставов Ю.В. //Сб. работ ЛГМО. Л.: Изд-во ЛГМО. 1974. С. 155-164.

28. Экосистема и ее компоненты /Под ред. И.Н.Давидана, О.П.Савчука, Ю.В.Суставова. Л.: Гидрометиздат. 1983. 255 с.

29. Изменчивость компонентов экосистемы и динамика вод / Под ред. И.Н.Давида, А.И.Смирновой, Е.С.Чернышовой. Л.: Гидрометиздат. 1984. 206 с.

30. ПОПС-90. Правила охраны природной среды в военно-морском флоте. М.:Военное издательство, 1993. 87с.

31. Э.И.Цветков. Основы математической метрологии. СПб.: Политехника, 2005. 510 с.

32. Э.И.Цветков. Процессорные измерительные средства. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1989. 244 с.

33. Сайт Балтийской дирекции по техническому обеспечению надзора на море.

34. Сайт ОАО «Сокольская судоверфь» http://www.vympel.ru

35. Сайт компании разработчика «Норд-вест экология» http://www.nwe.ru

36. С.П. Алексеев, П.Г.Бродский, А.Н.Добротворский. Научно-технический потенциал военной навигации, гидрографии и океанографии на службе национальной экономики // Навигация и гидрография. 2001. №12.

37. Геоинформационные системы. Структура ГИС, методы создания и использования: методическое пособие /Сост.: В.В.Щербаков. Екатеринбург: УРАЛГЕОИНФОРМ, 2002. 32 с.

38. А.В.Гусев, Д.Л.Гуральник, М.Л.Красный, В.Н.Храмушин. Разработка судовых комплексов контроля экологического состояния нефтепромысловых акваторий (Приборно-техническое оснащение российского природоохранного флота) // Вестник ДВО РАН. 2004. № 1.

39. Дорохов И.Н., Смирнов В.Н. Автоматизированная система экологического мониторинга промышленного района // Программные продукты и системы. 1998. № 1.

40. ГОСТ 27384-87 "Вода. Нормы погрешности измерений показателей состава и свойств"

41. План действий ХЕЛКОМ по Балтийскому морю /СПб.: Диалог, 2008. 112с.

42. Г.В.Смирнов, В.Н. Еремеев, М.Д. Агеев. Океанология: средства и методы океанологических исследований. М.: Наука, 2005.795с.

43. А.К. Суворов. Геология с основами гидрологии. М/. КолосС, 2007.

44. Фрумин Г.Т. Геоэкология: реальность, наукообразные мифы, ошибки, заблуждении: Учеб. пособие. СПб.: РГГМУ 2006.121с.

45. Софер М.Г. Вода на земле: занимательно о реках, болотах и озерах. СПб.: Культ-Информ-Пресс, 1999. 271с.

46. Человек и среда его обитания: Учеб. пособие для вузов /Под ред. Г.В. Лисичкина, H.H. Чернова. М.: Мир, 2003. 460с.

47. Книпович Н.М. Гидрология морей и солоноватых вод. Л.: б.и., 1983. 513с.

48. Орлов В.Г., Сикан A.B. Основы инженерной гидрологии: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во РГГМУ, 2003. 187с.

49. Коваленко В.В., Викторова Н.В., Гайдукова Е.В. Моделирование гидрологических процессов. 2-е изд., перераб. И доп. СПб.: Изд-во РГГМУ, 2006. 559с.

50. Романов В.И., Романова Р.Л. Выбросы вредных веществ и их опасности для живых организмов (справочно-познавательное пособие). М.: Физматкнига, 2009. 376с.

51. Федеральный закон РФ «Об охране окружающей среды» от 10.01.02 №7.

52. Арсеньев Г.С. Основы управления гидрологическими процессами; водные ресурсы. Спб.: Изд-во РГГМУ, 2005. 230с.

53. Экологическая гидрогеология / А.П. Белоусова, И.К. Гавич, А.Б, Лисенков, Е.В. Попов. СПб.: ИКЦ «Академкнига», 2006. 397 с.

54. Инженерная экология / Под ред. В, Т. Медведева. М.: Гардарики, 2002. 687с.

55. Горелик Д.О., Конопелько Л.А. Мониторинг загрязнения атмосферы и источников выбросов. Аэроаналитические измерения. М.: Изд-во стандартов, 1992. 432 с.

56. Статников И.Н., Фирсов Г.И. ПЛП-поиск эвристический метод решения прикладных задач оптимизации // Практика применения научного программного обеспечения в образовании и научных исследованиях. Санкт-Петербург: СПбГПУ, 2003. С.54 - 67.

57. Малинин В.Н. Статистические методы анализа гидрометеорологической информации: Учебник. СПб.: РГГМУ, 2008. 408 с.

58. Л.Ф.Сердюцкая. Системный анализ и математическое моделирование экологических процессов в водных экосистемах. М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. 144с.

59. Экологическая обстановка в Санкт-Петербурге и Ленинградской области в 1995 год: аналитический обзор / Фролов А.К. СПб.: (б.изд.), 1996. 136 с.

60. Микушина В.Н, Минина A.A. Мониторинг, моделирование и управление водохозяйственными системами в среде ГИС // Сборник трудов VII семинара "Использование ГИС для управления территориями, городами, предприятиями", Анапа, 2009. С. 56-58.

61. Микушина В.Н. Планирование измерительного эксперимента с использованием ГИС технологий // Сб. материалов Международного симпозиума «Новые информационные технологии и менеджмент качества», Турция, 2009. С. 83.

62. Микушина В.H. Обработка результатов измерений экологического состояния водных объектов с использованием геоинформационных систем //Информационные технологии моделирования и управления. Воронеж: Научная книга, 2007. С 1015-1018.

63. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. М.: Наука, 1982. 319 с.

64. Родзиллер И.Д. Прогноз качества воды водоемов-приемников сточных вод. М.: Стройиздат, 1984. 263 с.

65. Дружинин Н.И., Шишкин А.И. Математическое моделирование и прогнозирование загрязнения поверхностных вод суши. JI.: Гидрометеоиздат, 1989. 390 с.

66. Шишкин А.И. Основы математического модеоирвоания конвективно-диффузионного переноса примесей. Л.: ЛТИ ЦБП, 1976. 122 с.

67. Шишкин А.И., Жуков Г.И., Саяпин К. Я. Вычислительные средства, систем управления качеством окружающей среды: Учеб. пособие. Л.: ЛТА, 1986. 203 с.

68. Алексеев В.В., Куракина Н.И., Желтов Е.В. ГИС комплексной оценки состояния окружающей природной среды // ArcRewie. 2007. №1 (40). С.16-17.

69. Алексеев В.В., Куракина Н.И., Желтов Е.В. Система моделирования распространения загрязняющих веществ и оценки экологической ситуации на базе ГИС // Информационные технологии моделирования и управления. №5 (23). 2005. С.32-36.

70. Kurakina N. River Pollutants Monitored with GIS. Analyzing the Environmental Impact of Water Bodies in Russia. ArcNews, Summer 2008. P. 18.

71. Geoinformation System of Water Resource of Republic of Bashkortostan / V.S. Goryachev, S.A. Abramov // Proc. Of the 9th International Workshop on Computer Science and Information Technologies (CSIT'2007). 2007. Vol. l.P. 169-172.

72. Никтин А.Б., Павлов C.B., Хамитов Р.З. Геоинформационная система Федерального агенства водных ресурсов // ArcReview, №1 (36). 2006. С.6-7.

73. Кошкарев A.B. Эффективное управление пространственными метаданными и геосервисами в инфраструктурах пространственных данных // Пространственные данне. №1. 2008. С. 12-13.

74. Варламова A.A., Гальченко С.А. Земельный кадастр. Т.6. Географические и земельные информационные системы. М.: КолосС, 2006. 400с.

75. Банди Б. Методы Оптимизации. Вводный курс. М.: Радио и связь, 1988. 128 с.

76. Акулич И.Л. Математическое программирование в примерах и задачах: Учеб. Пособие для студ. Вузов. М.: Высш. Шк., 1986. 319с.

77. Кузнецов A.B., Сакович В.А., Холод Н.И. Высшая математика: Математическое программирование. Минск: Высшая школа, 1994. 288 с.

78. Кармазин В.Н., Шаповаленко В.В, Практикум по линейному программированию и матричным играм. Краснодар, 2001. 172 с.

79. Основы регистрации данных и планирования эксперимента. Учеб. пособие: Изд-во ЧГУ, Чебоксары, 2006. 200 с.

80. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента. Москва: Металлургия, 1968. 155с.

81. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. 280 с.

82. Красовский Г.И., Филаретов Г.Ф. Планирование эксперимента. Мн.: Издательство БГУ, 1982. 302 с.

83. Ермаков С.М. Математическая теория планирования эксперимента. М.: Наука, 1983.394с.

84. Геоинформационные системы: обзорная информация. Серия: геодезия, аэросъемка, картография. М., ЦНИИГАиК, 1992. 52с.

85. Кошкарев А.В., Каракин В.П. Региональные геоинформационные системы. М., Недра, 1987. 126с.

86. Коновалова Н.В., Капралов Е.Г. Введение в ГИС. Учеб. пособие. М.: ООО "Библион", 1997. 160с.

87. Лисицкий Д.В. Основные принципы цифрового картографирования местности. М.: Недра, 1988. 261с.

88. DeMers M. Fundamentals of Géographie Information Systems. Join Wiley & Sons, 1996.320 pp.

89. Bernhardsen T. Géographie Information Systems. Join Wiley & Sons, 1992. 318 pp.

90. Государственный доклад "О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1995 г." М.: Центр международных проектов, 1996. 458 с.

91. Оценка и регулирование качества окружающей природной среды. Учебное пособие для инженера-эколога /Под ред. А.Ф. Порядина и А.Д. Хованского. М.: НУМЦ Минприроды России, Издательский Дом "Прибой", 1996. 350 с.

92. Беспамятное Г.П., Кротов Ю.А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. Л.: Химия, 1985. 528 с.

93. ГОСТ 17.1.1.01-77 (СТ СЭВ 3544-82). Охрана природы. Гидросфера. Использование и охрана вод. Основные термины и определения.

94. Буйташ П., Кузьмин Н.М., Лейстер Л. Обеспечение качества результатов химического анализа. М.: Наука, 1993. 167 с.

95. Alloway B.J., Ayres D.C. Chemical Principles of Environmental Pollution. Glasgow: Blackie Academic & Professional, 1994. 291 p.

96. Сборник санитарно-гигиенических нормативов и методов контроля вредных веществ в объектах окружающей природной среды. М.: Искусство, 1991. 370 с.

97. Касьяненко А.А. Контроль качества окружающей среды. М.: Российский университет дружбы народов, 1992. 136 с.

98. Электроаналитические методы в контроле окружающей среды/ Под ред. Р. Кальводы. М.: Химия, 1990.145с.

99. Elsom D.M. Atmospheric Pollution. A Global Problem (2nd edition). -Oxford: Blackwell Publishers, 1995. 422 p.

100. Афанасьев Ю.А., Фомин С.А, и др. Мониторинг и методы контроля окружающей среды: Учеб. пособие. М.: Изд-во МНЭПУ, 2001. 208 с.

101. Розин В.И. Основы экологического мониторинга (инженерные задачи рационального природопользования). Таганрог: Б. и, 1988. 260с.

102. Федорова А.И., Никольская А.Н. Практикум по экологии и охране окружающей среды: Учеб. пособие. М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2003.288 с.

103. Хоружая Т.А. Методы оценки экологической опасности. М.: Эксперт бюро, 1998. 224 с.1. Показатели качества воды1. Органо-лнгппческпе1. Общие фгвнко-хпмпчесы ш> Водородный показатель, р1»-и6.9

104. Общая мннералтацця. мг л 1000

105. Жесткость воды, мг-экв л 7,0

106. Окпсляемость перманганатная 1 5,0 1

107. Бактер1 юлоп пеекпе. пар а я ггол оп мескиег*>! Общее микробное число1. Общие колпформныебактерпп50-*• Медь Си1. Железо Ре1. КадмнПСЧ!1. Свинец РЬ1,00,3 0,001 0,003

108. Неорганические примеси в воде1. Марганец Ма ; 0,11.-1. Цинк ¿и1. Нитраты1. СТ)рнлп1. Органические примеси в1. Аммиак 0,0210,5 0,1

109. Общая а радиоактивность 0,1-*■ Общая р- радиоактивность 150 Нормативный показатель

110. Описание работы программного модуля сопровождениямониторинга.

111. Для реализации задачи поиска зоны максимального загрязнения все данные мониторинга должны сохраняться в базе данных \¥а1егМош!;.тс11:', специально разработанной структуры (Рисунок 1).

112. Рисунок 1 Структура части БД для работы с данными измерений

113. Поиск наиболее загрязненного места cr> 1 IfD ^J

114. Имя сервера dellVsqlexpress

115. База данных ® '.dbWater lonit^WaterMonrt mdf j Обзор1. J Отмена к

116. При нажатии на «Обзор» откроется диалоговое окно для выбора файла БД. Следует указать путь к месту хранения файла базы данных Microsoft SQL Server.

117. При установлении связи с БД откроется главное окно программного модуля сопровождения экологического мониторинга.

118. Все данные об этапе экспедиции вводятся в правой части приложения,затем при нажатии на кнопку ^^ значения заносятся из полей для ввода в таблицу «Поиск» базы данных WaterMonit.mdf и автоматически отображаются в левой части интерфейса в табличном виде.

119. При необходимости можно обратиться к интерактивной справки нажатием на кнопку с символом «?».

120. Поиск наиболее загря)неиного места

121. Максимальное число измерений1. Точность1. Просмотр экспедиции7 51. Новая экспедиция