автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка методов и алгоритмов представления графических данных в ГИС для эколого-гигиенических исследований

В В Е Д Е Н И Е.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

§1.1. Сравнительный анализ геоинформационных систем проименительно к решению зцдач эколого-гигиенических исследований.

§ 1.2. Обзор методов графической интерпретации информации.

Выводы по гл 1:.

2. ОБОБЩЕННЫЙ МЕТОД ПОСТРОЕНИЯ ИЗОЛИНИЙ НА ОСНОВЕ ОДНОРОДНОЙ КООРДИНАТНОЙ СЕТКИ.

§2.1. Структура и осбенности процедуры построения изолиний для эколого-гигиенических ГИС.

§2.2. Определение точек пересечения ребер координатной сетки и линии уровня.

§ 2.3. Алгоритм построения изолиний на основе однородной координатной сетки.

§ 2.4. Интерполяция последовательности опорных точек сплайновыми функциями.

Выводы по гл 2:.

3. ПОСТРОЕНИЕ ИЗОЛИНИЙ ЦРИ ДЕФИЦИТЕ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

§3.1 .Основные этапы построения изолиний на основе неоднородной координатной сетки.

§ 3.2. Алгоритм поиска управляющих последовательностей точек на неоднородной координатной сетке.

§ 3.3. Алгоритм сопряжения краевых точек участков опорных ломанных.

Выводы по гл.3:.

4. РАЗРАБОТКА ГИС ДЛЯ ЭКОЛОГО-ГИГИЕНИЧЕСКИХ

ИССЛЕДОВАНИЙ.

§4.1. Обобщенная структура ГИС.

§ 4.2. Структура информационного хранилища эколого-гигиенической

§4.3. Моделирование техногенного воздействия окружающей среды на состояние здоровья населения с использованной разработанной ГИС.

§ 4.4.Применение ГИС в эколого-гигиенических исследованиях.

Выводы по гл.4:.

Актуальность проблемы. Металлургическая промышленность занимает второе место среди других отраслей по общему количеству выбросов в атмосферу. В крупных металлургических центрах отмечаются систематически высокие уровни загрязнения воздуха вредными примесями. В атмосферу над металлургическими центрами поступают: оксид углерода, твердые вещества, сернистый ангидрид, оксиды азота и т.д. Крупные металлургические комбинаты - источники загрязнения почвенных покровов. Зона загрязнения распространяется на расстояние до 60 км от источника загрязнения. На долю металлургического комплекса приходится 9% объема используемой промышленностью России свежей воды и сброса сточных вод в поверхностные водоемы.

Загрязнение окружающей среды в крупных металлургических центрах - одна из основных причин снижения продолжительности жизни и ухудшения здоровья населения. С каждым десятилетием заболеваемость по многим нозологическим формам неуклонно растет, а средняя продолжительность жизни сокращается.

В течение последних лет ведется интенсивный мониторинг техногенного загрязнения окружающей среды, связанный с использованием большого количества картографической информации. Для повышения эффективности обработай экологической информации и принятая на ее основе оптимальных решений по модернизации и строительству производственных объектов, по оценке и прогнозированию состояния здоровья населения, необходимо разрабатывать геоинформационные системы (ГИС), позволяющие хранить, обрабатывать и визуализировать геоинформацию в эколош-гигиенических исследованиях

Большинство существующих на сегодняшний день ГИС предназначены для анализа картографической информации широкого профиля, либо специализированны по отраслям применения и не рассматривают особенности предметной области эколого-гигиенических исследований. Рассматриваемая предметная область исследований характеризуется дефицитом, неоднородным распределением информации и ее различной плотностью распределения на исследуемой территории Не существует ГИС, позволяющих в рамках одного исследования с использованием картографических представлений анализировать техногенные загрязнения территории и распределение шлей заболеваемости. Это определяет актуальность разработки ГИС ориентированных на эколого-гигиенические исследования.

Целью диссертационной работы является:

1. Создание Графической информационной системы (ТИС), предназначенной для автоматизации процесса анализа и обработки геоинформации в эколого-гигиенических исследованиях, оценки видов загрязнений, характерных для металлургической промышленности.

2. Разработка математического описания техногенного воздействия физических факторов на организм человека

3. Разработка метода и алгоритмов построения изолиний, позволяющего использовать координатные сетки любой топографии.

4. Разработка методов обработки и графической интерпретации картографической информации в условиях дефицита, разнородности исходных данных и разной плотности геоинформационных полей.

Методика исследований. Проведенные теоретические и практические исследования базируются на применении системного подхода, использовании методов графической интерпретации информации, методов компьютерной графики, методов математического моделирования, теории множеств и т.д.

Научная новизна заключается в следующих положениях:

1. Разработана структура ГИС, применительно к эколого-гигиеническим исследованиям техногенного воздействия на окружающую среду, характерного для металлургических центров, позволяющая в рамках одной системы осуществлять как экологический анализ ситуации, так и оценку ее воздействия на здоровье и продолжительность жизни населения.

2. Разработаны методы и алгоритмы поиска замкнутых и разомкнутых последовательностей опорных точек, которые позволяют строить изолинии не модифицируя узловые точки координатной сетки, совпадающие с линией уровня, что дает гарантированную точность отображения информации, в случае, если исследуемый параметр описывается малыми величинами, что характерно для эколого-гигиенических исследований.

3. Разработаны структурные дополнения к модели влияния техногенного воздействия на организм человека, позволяющие проводить комплексный анализ состояния здоровья населения, рассматривая химические и физические факторы загрязнения.

4. Разработан комплекс алгоритмов для построения изолиний на неоднородных координатных сетках, который позволяет совместить области с различным масштабированием (разбивкой координатной сетки) на одной карте, что дает возможность полномасштабного анализа геоинформации в условиях неравномерной плотности распределения данных, и уменьшает потери точности при масштабировании карты.

Практическая ценность работы состоит в том, что предложены методы и алгоритмы, позволяющие повысить качество принимаемых решений в эколого-гигаенических исследованиях, а именно:

1. при прогнозировании эколого-гигаенической ситуации при проектировании экологически опасного производства;

2. при практическом анализе воздействия техногенного загрязнения на состояние здоровья населения;

3. при определении методов восстановления окружающей природной среды после техногенных воздействий

На защиту выносятся следующие результаты работы:

1. Графическая информационная система, предназначенная для автоматизации процесса ввода, обработки и графического отображения картографической информации в эколого-гигаенических исследованиях.

2. Алгоритм построения изолиний на основе однородной координатной сетки.

3. Алгоритм построения изолиний на основе неоднородной координатной сетки, позволяющий обрабатывать неравномерно распределенные на поверхности карты картографические данные.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались на научных семинарах кафедры АСУ МИСиС, докладывались на конференции:

IX Международная конференция - выставка «Информационные технологии в образовании» Москва, 1999 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано три работы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит го введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 71 наименование. Основной текст занимает 123 машинописные страницы, в том числе 29 рисунков и 6 таблиц

Выводы к главе 4.

1. Разработана структура и отдельные модули графической информационной системы ГИС, которая предназначена для автоматизации процесса анализа и обработки геоинформации в эколого-гигиенических исследованиях ГИС, позволяющая в диалоговом режиме работать с неограниченными по размерам массивами, совмещать области с разными масштабами представления информации, позволяющая настраивать форму кривых.

2. Разработана структура информационного хранилища данных, содержащая разнородную разнородную числовую и графическую информацию: справочную, статистическую, картографическую и т.д.

3. Разработана математическая модель, описывающая воздействие шума вибрации и влияние, загрязнителей, поступающих с продуктами питания на здоровье человека, что существенно расширяет возможности математических описаний техногенных воздействий.

4. С использованием ГИС проведены исследования и построены поля заболеваемости для оценки эколого-гигиенической ситуации на примере крупного металлургического центра(г. Новокузнецк) и небольшого промышленного центра (г.Железнодорожный).

Заключение.

В результате выполненных исследований и практических работ достигнуты следующие научные и практические результаты:

1. Проведен анализ существующих ГИС в различных областях применения, проанализированы методы графического построения информации, основанные на различных системах представления данных. Показана необходимость разработки специальных методов представления графической информации в геоинформационных системах и разработки специализированной ГИС применительно к эколого-гигиеническим исследованиям.

2. Разработан комплексный алгоритм построения изолиний, который позволяет строить изолинии не модифицируя узловые точки координатной сетки, в случае если узловая точка совпадает с линией уровня. Это дает возможность обрабатывать координатные сетки произвольного вида, гарантированную точность отображения информации, в случае, если исследуемый параметр описывается малыми величинами, что характерно для эколого-гигиенических исследований.

3. Разработан алгоритм разбивки и сопряжения участков поверхности карты, позволяющий производить обработку сложных неоднородных координатных сеток. Пользователь имеет возможность выделить неограниченное количество областей с более частой координатной сеткой на карге, которые могут пересекаться друг с другом, что дает возможность устранить дефицит информации и максимально использовать все имеющиеся картографические данные и уменьшает потери точности при масштабировании карты.

4. Разработаны структурные дополнения к модели анализа техногенного воздействия на здоровье населения, позволяющие более полно проводить анализ эколого-гигиенической ситуации исследуемой территории, рассматривая наряду с химическими физические факторы загрязнения а так же основные каналы поступления химических веществ в организм человека.

5. Разработана структура и отдельные модули графической информационной системы ГИС, которая предназначена для автоматизации процесса анализа и обработки геоинформации в эколого-гигиенических исследованиях. Данная ГИС, позволяет хранить, анализировать и визуализировать геоинформацию. С использованием ГИС построены поля заболеваемости для оценки эколого-гигиенической ситуации в промышленных центрах на примере крупного металлургического центра (г. Новокузнецк) и небольшого города (г. Железнодорожный).

1. Черемисина Е.Н., Липилин А.А., Никитин А.А. Компьютерные технологии комплексной интерпретации геолого-физических данных: современное состояние и перспективы развития. // Геоинформатика. 2000. - №3. - С.98-105.

2. Кузнецов О.Л. Никитин А. А. Геоинформатика. М.: Недра. - 1992.

3. Ларикова О.И., Зеркаль О.В., Антипина И.С. Мониторинг экологических условий разработки Михайловского месторождения с использованием ГИС-технологий.// Геоинформатика. 2001 - №4. - С. 17-23.

4. Кочетков В.М., Черемисина Е.Н., Митракова О.В., Любимова А.В. Моделирование состояния природных экосистем для экологического мониторинга территорий.// Геоинформатика. 2001 - №3. - С.81-85.

5. Финкельштейн М.Я. ГИС-INTEGRO как инструмент геологических исследований.// Геоинформатика. 2002 - №2. - С. 14-20.

6. Полищук Ю.М., Рюхко В.В., Токарева О.С., Алексеева М.Н. Геоинформационный анализ экологических воздействий загрязнения атмосферы с использованием космоснимков. // Геоинформатика. 2002 - №2. - С. 10-13.

7. Новаковский Б.А., Брызгалов Н.А, Баранникова Ю.А. Использование геоинформационных технологий в целях минерально-геохимического картографирования. // Геоинформатика. 2000 - №1. - С. 16-24.

8. Черемисина Е.Н. Методические и технологические аспекты развития ГИС-INTEGRO с использованием алгоритмов динамического распознавания. // Геоинформатика. -2001 №3. - С.75-80.

9. Кошель С.М. Мусин О. П. Методы цифрового моделирования: кригинг и радиальная интерполяция. // Информационный Бюллетень центра ГИС-Ассоциации. 2000 - №2,-С.12-15.

10. Демиденко А.Л. ГИС Карта 2000, как средство накопления и анализа разнородных данных, имеющих пространственное распределение.// Информационный Бюллетень центра ГИС-Ассоциации. 2002 - №4-5,- С. 7-9.

11. Васильев Г.Д., Демиденко А.Г. Зеркаль О.В., Васильева Р.В. Применение цифровых моделей при ведении государственного мониторинга состояния недр.// Информационный Бюллетень центра ГИС-Ассоциации. 2001 - №1,- С.20.

12. Капралов Е.Г., Яровых В.Б. ГИС-проект с самого начала И Информационный Бюллетень центра ГИС-Ассоциации. 2001 - №2,- С.8-10.

13. Ефимова Г.К. Использование ГИС GeoDraw/ ГеоГраф в работах по созданию баз данных Мостеплоэнерго // Информационный Бюллетень центра ГИС-Ассоциации. -1997-№1.- С.25-27.

14. Григорьев А.В., Казанцев Н.Н., Мельников С.Р., Хрупов С.В. Использование разработок ЦГИ ИГРАН и организаций наших пользователей и партнеров в нефтегазовой отрасли// Информационный Бюллетень центра ГИС-Ассоциации. - 1997 -№1.-0.25-27.

15. Казанцев Н.Н, Ермаков А.А., Прохоров В.Н. Опыт и планы ЦГИ ИГРАН в разработке и применении ГИС-технологий для решения кадастровых задач на уровне регионов и городов.// Информационный Бюллетень центра ГИС-Ассоциации. 1996 - №5,- С.5-6.

16. Флейс М.Е. К вопросу определения математической основы ГИС// Информационный Бюллетень центра ГИС-Ассоциации. 1999 - №2,- С.28-30.

17. Журавков М.А., Момани Х.Р. Автоматизированная компьютерная система сопряженного геоэкологического мониторинга для ответственных регионов.// Геоинформатика. 2001. - №2. - С.11-21.

18. Соломахов А.Ю. Географическая информационная система «Метео» система обработки представления метеорологической информации.// Информационные технологии в образовании - 1996. - №1. - С. 20-23.

19. Скворцов А.В. Триангуляция Делоне и ее применение. Томск.: Изд-во Томского университета. - 2002.

20. Курлович Д.М. Применение ГИС-технологий при изучении эколого-геоморфологических особенностей территории Воложинского района.// Матер, междунар. конф. Минск. -2002. С. 196-198

21. Лесных И.В., Ананченко Н.М., Каленицкий А.И., Чепкасов А,Ф. К проблеме развития геодезических сетей в городах.// Матер, междунар. конф. «Муниципальные геоинформационные и кадастровые системы» Белокуриха 1999 - С.50-57.

22. Колесов А. Павлова О. Пакет Surfer — обработка и визуализация двумерных функций// КомпьютерПресс 1999 - №2. - С. 5-8.

23. Кищинская И. Лебедева П. Дополнительные модули к настольным продуктам ArcGIS.// ArcReview 2001 - №3 (18) - С. 19-21.

24. Ткжачев Н. Свиридов Ю. Создание мультимедийных приложений. Санкт-Петербург: Питер - 2001.

25. Государственный доклад за 1999 г.

26. Антонов А.В., Вайнберг Э.И., Шафров А.Н, Возможности применения ГИС в планировочном проектировании на региональном и городском уровнях// Матер, конф. «Муниципальные геоинформационные системы» Обнинск 1995. - С.34-36.

27. ГеоГраф, GeoDraw- профессиональные отечественные ГИС для широкрго круга пользователей// ГИС-обозрение. -1994. Зима. - С.24-25.

28. Гвоздев В:Е., Низмаров P.p., Ульданов Э.А., Использование ГИС-технологий в моделировании экологических процессов// Матер. 2 Междунар. симп. «Пробл. экоинформат.» М. 1994. - С.37-40.

29. Макарова. З.А. , Пролеткин И. В., Чумаченко А.Н. От комплексных градоэкологиче-ских исследований к разработке городской ГИС // ГИС- обозрение.- 1995. Спец. вып. -С. 1-3.

30. Лычагин А.В. Создание приложений конечного пользователя в среде MAPINPO // Муниципальные геоинформационные системы: Матер, конф. Обнинск. 1995. - С. 32-34.

31. MapInfoB России говорит по-русски. Закономерный успех на российском рынке // ГИС-обозрение. 1995. - Весна. - С. 38-39.

32. Роджерс Д. Адаме Дж. Математические основы машинной графики. М.: Машиностроение, 1980.

33. Краснов М. Open GL Графика в проектах Delphi. Санкт-Петербург: БХВ. - 2000.

34. Шишкин А.В.,Боресков А.В. Компьютерная графика. Динамика, реалистические изображения. М.: ДИАЛОГ-МИФИ - 1998.

35. Роджерс Д.,Адаме ДЖ. Математические основы машинной графики. М.: Мир -2001.

36. Гилой В. Интерактивная машинная графика,- М.: Мир 1982.

37. Фокс Ф.,Пратт М. Вычислительная геометрия. Применение в проектировании и на производстве. М:Мир - 1982.

38. Переберин А.В. Построение изолиний с автоматическим масштабированием. // Вычислительные методы и программирование. 2001. - Т.2.- С.77-8.

39. Эдвард Э. Интерактивная компьютерная графика. Вводный курс на базе OpenGL. -М: СПб.К.- 2001.

40. Бобков А.С., Блинов А.А., Роздин И.А., Хабарова Е.И. Охрана труда и экологическая безопасность в химической промышленности. М.: Химия - 1998.

41. Клименко А.П. Состояние окружающей среды Московской области в 1998 году. М: Мособлкомприрода. -1999.

42. Суворов Г.А.,Денисов Э.И.,Овакимов В.Г.Давтин Ю.К. О корреляции потерь слуха и нервно-сосудистых нарушений у работающих в зависимости от уровня шума.// Гигиена труда и профессиональные заболевания. 1979 - №7. - С. 18-22

43. Денисов Э.И. Дозы вибрации и методы ее определения. // Гигиена труда и профессиональные заболевания. 1985. - №2. - С. 19-21.

44. Шум. Транспортные потоки. Методы измерения шумовой характеристики ГОСТ 204444-85. М. 1985.

45. Филатова О.В. Физиолого-гигиеническая оценка воздействия вибрации и щума на \ операторов транспортных, транспортно-технологических машин и разработка мер профилактики. // Диссертация на соискание ученой степени кандидата медицинских наук. -М.: 1989.

46. Бабаян М.А. Физиологе гигиеническое изучение сочетанного влияния производственного шума и нагревающего микроклимата на организм ткачей. // Диссертация на соискание ученой степени кандидата медицинских наук. - М: 1991.

47. Денисов Э.И. Методология дозной оценки шумов и вибраций в медицине труда. // Автореф.дис. на соискание ученой степени кандидата биологических наук. М.: 1996.

48. Суворов Г.А., Кравченко O.K., Ермоленко А.Е., Комлева JI.M. Прогнозирование развития вибрационной болезни у работающих с ручными машинами. // Гигиена труда. 1990,- №9 - С.3-6.

49. Олешкевич JI.A. Гигиеническая оценка и нормирование шума создаваемого железнодорожным транспортом в черте жилой застройки. // Диссертация на соискание ученой степени кандидата медицинских наук,- К.: 1988.

50. Пальгов В.Н. Коммунальный шум как гигиеническая проблема. // Диссертация на соискание ученой степени доктора медицинских наук. К.: 1966.

51. Зарубинская Л.Г. Гигиеническая оценка продуктов питания по содержанию свинца.// Диссертация на соискание ученой степени кандидата медицинских наук. М.: 1981.

52. Борисова Е.Н. Изучение естественного содержания свинца в почвах и пищевых продуктах.// Диссертация на соискание ученой степени кандидата медицинских наук. — М.: 1998.

53. Муратова С.Ю. Моделирование техногенного воздействия на здоровье и продолжительность жизни человека для систем поддержки принятия решений. //Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М: 1999.

54. Seidel Н. Heide R. Long-term effects of whole-body vibration: a critical survey of the literature // bit Arch Occup Environ Health 1986 - V/58 - P.l-26.

55. A consists-assessment of occupational noise expose for hearing conservation purposes, Geneva, International Organization for Standardization. (ISO R 1999).

56. Fred Henst. GIS For The Surveyor: GIS Opportunities For the Surveyor// Professional Surveyor. -2001. V.10. -№ 11. P. 5-7

57. Adena Schutzberg. GIS Monitor Supplement // Professional Surveyor. 2002. - ¥.22. -№ 22. P. 10-12

58. Rj Zimmer. In Line with GIS: They Have Built It. Will You Come?// Professional Surveyor. -2002. -V.22. -№9. -P. 37-41.

59. Dominy, N. J., В. Duncan. GPS and GIS methods in an African rain forest: applications to tropical ecology and conservation.// Conservation Ecology 2001. - №5. - P. 6-11.

60. Eppstein. D A heuristic approach to program inversion.// 9th Int. Joint Conf. Artificial Intelligence, Los Angeles.-1985 -P. 219-221.

61. Robinson, G. Some comments on trend surface analysis.// Area 1970 - V.2(3) - P. 31-36

62. Earickson, R. and Murton, B.J. Social data and trend surfaces: a reply.// Geographical Analysis-1973 -V.5(2) P.160-163

63. Gudmundsson J., Levcopoulos C. A Parallel Approximation Algorithm for Minimum Weight Triangulation. Nordic Jpurnal of Computing Spring 20007 - Y.l. - P.32-57.

64. Vincent C. Wears R. Communication in the emergency department: separating the signal from the noise// The Medical Journal of Australia 2002 - VI76 (9). P. 409-410

65. Mason C. Transport and health: en route to a healthier Australia?// The Medical Journal of Australia 2000 - V. 172 -P. 230-232

66. Redhead G. Otoacoustic emissions and recreational hearing loss// // The Medical Journal of Australia 1998 - V. 169 - P.587-588

67. Warburton N. Noisy neighbourhood // Environmental health journal July 2002 - P. 204205

68. Khanna T. Time please.//Environmental health journal November- 2000 P.251-254.

69. Atkinson S. Schoolmaster F., Lyons D., etc. A geographic information systems approach lo sanitary landfill siting procedures: a case study// Environ. Prof. 1995. - VI 7.(1). -P.20- 23.