автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Система геоинформационного моделирования для анализа техногенного воздействия на окружающую среду

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. АНАЛИЗ ПОДХОДОВ К ПОСТРОЕНИЮ СИСТЕМ ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

1.1. Место системы геоинформационного моделирования в составе автоматизированной системы информационного обеспечения анализа техногенного воздействия на окружающую среду

1.2. Анализ проблемных ситуаций, связанных с построением системы геоинформационного моделирования

1.3. Анализ подходов к повышению эффективности функционирования систем геоинформационного моделирования

1.4. Формулировка целей и постановка задач исследования 32 Выводы по первой главе

ГЛАВА И. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ ЛОГИЧЕСКОЙ КОМПОНЕНТНОЙ АРХИТЕКТУРЫ СИСТЕМЫ 3 6 ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

2.1. Формальная постановка задач исследования

2.2. Разработка метода построения архитектуры системы геоинформационного моделирования с учетом гибкой сборки 3 8 геоинформационных моделей

2.3. Разработка метода построения архитектуры системы геоинформационного моделирования с учетом целенаправленного 5 7 распределения вычислительных работ

Выводы по второй главе

ГЛАВА III. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННОГО ОТБОРА МОДЕЛЕЙ, ВКЛЮЧАЕМЫХ В СОСТАВ СИСТЕМЫ

ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

3.1. Формальная постановка задач исследования

3.2. Разработка метода анализа точности результатов геоинформационного моделирования

3.3 Разработка метода анализа сходимости результатов геоинформационного моделирования

3.4. Разработка метода анализа устойчивости результатов геоинформационного моделирования при различных объемах исходных данных

Выводы по третьей главе

ГЛАВА IV. ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЦЕНТРОВ

4.1. Проектирование системы геоинформационного моделирования атмосферы промышленных центров

4.2. Отбор моделей, включаемых в состав системы геоинформационного моделирования загрязнения атмосферы промышленных центров

4.3. Примеры решения прикладных задач Выводы по четвертой главе ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Актуальность темы

Новейшие достижения в области науки и техники, с одной стороны, существенно расширили возможности интенсивного использования природных ресурсов, с другой стороны, привели к резкому росту техногенной нагрузки на окружающую природную среду, опасности и риску возникновения чрезвычайных ситуаций. Обеспечение экологической безопасности территорий требует принятия управленческих решений на базе прогнозных оценок, что делает необходимым развитие системы информационного обеспечения анализа территориальных явлений окружающей среды.

Данным вопросам посвящены исследования и публикации многих отечественных ученых и специалистов - О.В. Берлянта, Ю.А. Израэля, М.К. Бочарова, В.В. Пененко, Е.В. Капралова, В.К. Данченко, А.Б. Горстко, В.В. Кульбы, Р.З. Хамитова, В.И. Васильева, С.В. Павлова, и др. Указанные вопросы рассматриваются также в работах ряда зарубежных ученых, среди которых можно выделить Cowan D.D., Grutzner R., Jere P., Lombard R., Mugge H., Munn R.E., Peters D.G. и др. Авторами подчеркивается необходимость совершенствования и разработки новых методов, направленных на повышение эффективности информационного обеспечения систем анализа техногенного воздействия на окружающую среду, и создания специализированных автоматизированных информационных систем, обеспечивающих разноаспектный анализ данных, моделирование и прогнозирование состояния компонент окружающей среды. Особое место среди них занимают системы геоинформационного моделирования (СГМ), поскольку они позволяют исследовать особенности функционирования компонент окружающей среды и определить тенденции их дальнейшего развития. Следуя определениям, приведенным в известной литературе, в дальнейшем под геоинформационным моделированием понимается системное сочетание электронных геоизображений, баз данных с математическими моделями и компьютерной графикой.

Существующая практика решения прикладных задач моделирования основана на реализации отдельных моделирующих программ с собственными хранилищами исходных данных (в том числе геоизображений) и пользовательским интерфейсом. Как следствие, функционирование таких программ осуществляется вне рамок общего процесса информационного обеспечения, реально существующего в госконтрольных органах, занятых анализом техногенного воздействия на окружающую среду.

Этим обусловливается актуальность темы исследований, направленных на разработку методов построения СГМ как составной части автоматизированной системы информационного обеспечения (АСИО) с целью повышения эффективности информационного обеспечения систем анализа техногенного воздействия на окружающую среду и применения полученных теоретических результатов для решения прикладных задач.

Связь темы исследования с научными программами

Работа выполнена в период 1998-2001 г.г. на кафедре технической кибернетики Уфимского государственного авиационного технического университета и в отделе экологического мониторинга Научно-исследовательского института безопасности жизнедеятельности Республики Башкортостан в рамках республиканских программ: «Создание Единой Государственной системы экологического мониторинга Республики Башкортостан», «Башкирская территориальная подсистема Единой государственной системы предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций».

Цель работы

Целью работы является решение актуальной задачи, имеющей существенное значение для повышения эффективности информационного обеспечения систем анализа техногенного воздействия на окружающую среду, которая заключается в разработке методов построения СГМ как составной части АСИО, реализации на их основе прикладного программного обеспечения, разработке тематических подборок картографических материалов и применении полученных результатов при решении прикладных задач, связанных с анализом техногенного воздействия на атмосферу г. Уфы.

Задачи исследования

Для достижения цели в рамках диссертационной работы требуется решение следующих задач:

1. Разработать методы построения логической архитектуры СГМ, обеспечивающей эффективное функционирование системы в составе АСИО анализа техногенного воздействия на окружающую среду за счет гибкой интеграции геоинформационных моделей и распределенного решения задач моделирования.

2. Разработать методы целенаправленного отбора моделей, включаемых в состав СГМ, позволяющие сократить финансовые и временные затраты, связанные с получением результатов геоинформационного моделирования.

3. Использовать полученные теоретические результаты при программной реализации СГМ загрязнения атмосферы на территории промышленных центров и получения на ее основе тематических подборок картографических материалов, составляющих информационную основу решения задач, связанных с оценкой загрязнения атмосферы на территории г. Уфы.

Методы исследования

В работе использовались методы системного анализа, математической статистики и теории вероятностей, комбинаторного анализа, теории графов, математического и геоинформационного моделирования, методы построения открытых распределенных информационных систем.

Разработка программного обеспечения осуществлялась на основе объектно-ориентированного подхода с использованием технологии построения многокомпонентных распределенных приложений (СОМ -технология, MIDAS).

Результаты выносимые на защиту

• Методы построения логической компонентной архитектуры СГМ, базирующиеся на формальном анализе вхождения математических моделей, геоизображений, баз данных в геоинформационные модели на основе методов автоматической классификации; технологии распределенной обработке информации на основе стратегии «клиент/сервер»; методах распределения вычислительных работ, связанных с получением результатов моделирования, между узлами вычислительной сети на основе методов комбинаторного анализа.

• Методы целенаправленного отбора математических моделей, включаемых в состав СГМ, базирующиеся на комплексном анализе точности, сходимости, устойчивости результатов геоинформационного моделирования на основе методов многомерного статистического анализа, а также затрат, связанных с получением результатов.

• Прикладное программное обеспечение, реализующее СГМ загрязнения атмосферы на территории промышленных центров, и тематические подборки картографических материалов, предназначенные для оценки загрязнения атмосферы на территории г. Уфы.

Научная новизна результатов

1. Разработанные методы построения логической гибкой компонентной архитектуры СГМ, в отличие от известных методов, где компоненты моделирующей системы, реализующие интерфейс пользователя, математическую обработку и доступ к исходным данным, непосредственно связаны между собой, обеспечивают независимость указанных компонентов друг от друга (их связывание осуществляется специальными связующими компонентами), что позволяет увеличить число решаемых задач за счет гибкой компоновки и комбинирования геоинформационных моделей и сократить время решения задач за счет целенаправленного распределения вычислительных работ между узлами вычислительной сети.

2. Разработанные методы целенаправленного отбора моделей, включаемых в состав СГМ, в отличие от известных методов, основанных на использовании частных показателей точности результатов геоинформационного моделирования, базируются на учете совокупности показателей точности, статистических показателей моделируемого параметра и картометрических показателей, что позволяет осуществлять классификацию моделей по совокупности показателей и в последующем выбирать среди моделей, входящих в один и тот же класс, те, для которых финансовые и временные затраты, связанные с получением результатов моделирования, меньше.

Практическая ценность и внедрение результатов

1. Разработана логическая гибкая компонентная архитектура открытой распределенной СГМ, позволяющая наращивать функциональные возможности системы при добавлении новых компонентов без внесения изменений в исходные коды существующих компонентов.

2. Разработан унифицированный подход к отбору моделей, включаемых в составе СГМ, основанный на комплексном анализе точности, сходимости, устойчивости результатов геоинформационного моделирования с учетом затрат на их получение.

3. Программно реализована СГМ загрязнения атмосферы промышленных центров, позволяющая оценить влияние различных источников на уровень загрязнения атмосферы. Обоснованы требования к объемам исходных данных для решения задач моделирования. Решены задачи, связанные с оценкой загрязнения атмосферы на территории г. Уфы: загрязнение атмосферы выбросами автотранспорта и промышленных предприятий, загрязнение атмосферы при изменении топливного баланса промышленных предприятий; идентификация источников загрязнения по данным контроля уровней загрязнения; выделение объектов социальнобытового назначения, находящихся в зонах различных уровней загрязнения и ДР

Полученные результаты в виде прикладного программного обеспечения, тематических подборок картографических материалов внедрены в Государственный комитет экологии РБ, Научно исследовательском институте безопасности жизнедеятельности РБ, в учебном процессе Уфимского государственного авиационного технического университета.

Апробация работы

Основные теоретические и практические результаты работы докладывались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах:

1. Международная конференция «Научно-практические проблемы рационального потребления воздуха. Воздух-98», Санкт-Петербург 1998;

2. Научно-техническая конференция «Наука - образование -производство в решении экологических проблем», Уфа, 1999;

3. Республиканская научно-практическая конференция "Проблемы предупреждения ликвидации чрезвычайных ситуаций и обеспечение экологической безопасности", Уфа, 1999;

4.1, II Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы прогнозирования, предотвращения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций», Уфа 2000,2001;

5. VI научно-практическая конференция «Актуальные проблемы природопользования», Кирово-Чепецк, 2000;

6. 2-nd International Workshop on «Computer Scince and Information Technologies» (CSIT'2000);

7. II всероссийская конференция «Экологический риск», Иркутск, 2001.

Всего по теме диссертации опубликовано 8 работ. и

Структура работы

Работа включает введение, 4 главы основного материала, заключение библиографический список и приложения.

Работа без библиографического списка и приложения изложена на 128 страницах машинописного текста, кроме того, содержит 44 рисунка и 23 таблицы. Библиографический список включает 116 наименований. Приложение к диссертации изложено на 20 страницах, включая 9 рисунков и 1 таблицу.

Выводы по главе

Показано, что в основе целенаправленного отбора моделей, включаемых в состав СГМ, лежит комплексный анализ результатов геоинформационного моделирования по точности, сходимости и устойчивости с учетом затрат на их получение. При решении данной задачи были получены следующие результаты:

1. Разработан метод анализа точности результатов геоинформационного моделирования, основанный на обработке матриц вида «объект-свойство» известными методами многомерного статистического анализа. В отличие от других методов, где для анализа точности результатов используется только один показатель точности, предлагаемый метод позволяет учитывать совокупность показателей точности модельных результатов, что приводит к сокращению затрат на моделирования за счет обоснованного выбора такой модели из множества альтернатив, которая дает схожие по совокупности показателей точности результаты моделирования, но требует меньше затрат.

2. Разработан метод анализа сходимости результатов геоинформационного моделирования в зависимости от значений входных параметров моделирования, основанный на обработке матриц вида «объект-свойство» известными методами многомерного статистического анализа. В отличие от известных методов, где для анализа сходимости результатов используется только один показатель точности, предлагаемый метод позволяет учитывать совокупность показателей точности, статистических и картометрических показателей, характеризующих результаты моделирования, что приводит к сокращению затрат на моделирование за счет обоснованного подбора таких условий моделирования, при которых получаются схожие по совокупности показателей модельные результаты, но затраты на моделирование меньше.

3. Разработан метод анализа устойчивости результатов геоинформационного моделирования в зависимости от объемов исходных данных, основанный на обработке матриц вида «объект-свойство» известными методами многомерного статистического анализа. В отличие от известных методов, где для анализа устойчивости используется только один из показателей точности результатов моделирования при фиксированном объеме исходных данных, предлагаемый метод позволяет учитывать, во-первых, совокупность показателей точности, статистических и картометрических показателей, характеризующих результаты моделирования, во-вторых, тот факт, что устойчивость результатов моделирования может меняться в зависимости от объема исходных данных. Это приводит к сокращению затрат, связанных со сбором исходных данных, за счет обоснованного подбора объема исходных данных, необходимого для получения устойчивых результатов моделирования.

В ходе исследований было показано, что разработанные методы, образуют единый подход к комлексному анализу свойств результатов моделирования и сводятся к известным методам многомерного статистического анализа.

ГЛАВА 4. ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЦЕНТРОВ (ДЛЯ Г. УФЫ)

4.1. Проектирование системы геоинформационного моделирования атмосферы промышленных центров

Целью данной главы диссертации является применение полученных в двух предыдущих главах диссертации теоретических результатов для построения системы геоинформационного моделирования загрязнения атмосферы на территории промышленных центров (далее просто система моделирования). В настоящем разделе диссертации рассматривается применение разработанных во второй главе методов построения архитектуры СГМ при проектировании данной системы моделирования.

Проектирование системы моделирования проводилось с использованием современной методологии проектирования программных средств фирмы Microsoft - Microsoft Solutions Framework (MSF). Согласно MSF рекомендуется 3 фазы проектирования [18, 64]: концептуальная, логическая и физическая. Фаза концептуального проектирования является основой для планирования, общего анализа, работ, необходимых для построения спецификаций и установки приоритетов. Она включает в себя следующие итерационные этапы: определение текущей проблемной ситуации, постановка задач, определение пользователей и их ролей, сбор исходных данных, документация и верификация концептуального проекта. Фаза логического проектирования содержит спецификации и описание объектов, сервисов и их взаимосвязей на основе подробного анализа сценариев использования, полученных в фазе концептуального проектирования. Она включает в себя следующие итерационные этапы: определение объектов и сервисов, определение интерфейсов объектов, определение взаимосвязей между объектами, верификация логического проекта. Физическая фаза проектирования реализует подготовленные ранее решения с использованием готовых компонент, учитывая имеющуюся в организации инфраструктуру и технологии. Она включает в себя следующие итерационные этапы: реализация компонент по частям программного обеспечения, распределение программного обеспечения по вычислительной сети, тестирование, верификация.

В фазе концептуального проектирования была определена цель функционирования системы моделирования как анализ техногенного воздействия на загрязнение атмосферы на территории промышленных центров в рамках трех направлений:

1) оценка и прогноз загрязнения атмосферы промышленных центров;

2) получение информации об источниках загрязнения;

3) выявление объектов, расположенных на территории промышленного центра, подвергающихся воздействию загрязнения атмосферы.

На рисунке 4.1 приведена обобщенная концептуальная модель системы моделирования. В приложении 1 приведен перечень функций, методическая и информационная основы, используемые для создания системы. В качестве геоизображений использовались картографические модели исследуемой территории, представленные в виде цифровых покрытий. Среди основных требований, предъявляемых к системе можно выделить:

- работа с системой в рамках одного пользовательского приложения;

- высокая производительность при сложных расчетах;

- наращивание функциональных возможностей без внесения изменений на компьютерах пользователей;

- хранение результатов моделирования, (включая условия, при которых они были получены) в специализированной базе данных и обеспечение к ней доступа всех пользователей системы.

Логическое проектирование проводилось на основе разработанных методов построения логической компонентной архитектуры. При анализе концептуального проекта было выделено семь ГИ, пять БД и восемь ММ (табл. 4.1).

Промышленные предприятия

Стационарные источники выбросов

Автотранспорт получение информации об источниках загрязнения оценка и прогноз загрязнения атмосферы промышленных центров выявление объектов, подвергающихся воздействию загрязнения

Пояснение класс задач

Объекты социально-бытового назначения

Рисунок 4. L Обобщенная концептуальная модель системы моделирования

1. Уровень загрязнения

2. Сочетание • и Корректировка|уровней I J уровней-«Q-X!

3. Be Edit Xherre jjnpbct Шсйгн Ы«р i1. Ti ш™ nr^i ешзкжи т- /J 434 93 •! ЙЯ 81 tft У<и НИИИИИ .S'lxl

4. Отображение результатов в виде таблицы

5. Отображение результатов в виде диаграммы (MS Excel)

6. Вывод результатов на электронную карту (ArcView)

7. Рисунок 4.5 . Пример работы программы

8. Расчеты проводились для загрязняющих веществ: диоксид азота, оксид азота, ангидрид сернистый, оксид углерод; выбранными экспертами Государственного комитета экологии РБ как одни из наиболее распространенных загрязнителей атмосферного воздуха.