Система обеспечения качества воды и регулирования антропогенного воздействия на Черное море с использованием ГИС

Куракина Н.И., Минина А.А. СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ И РЕГУЛИРОВАНИЯ АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЧЕРНОЕ МОРЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИС

Рассматриваются вопросы построения системы обеспечения качества воды и регулирования антропогенного воздействия на Черное море с использованием геоинформационных технологий. Построение геоинфор-мационной системы поддержки принятия управляющих решений (СППР) по регулированию антропогенного воздействия на Черное море позволит представить классические категории, этапы и процессы управления в единой геопространственной форме, организовать на этой основе сквозную, интегральную, согласованную обработку геоинформации, обеспечить лицо, принимающее решения (ЛПР) полной, достоверной и оперативной пространственной информацией, с целью информационной поддержки принятия стратегических и оперативных решений по регулированию антропогенного воздействия на Черное море, за счет автоматизации обработки картографических данных на основе современных геоинформационных технологий.

Информационная система, геоинформационные технологии, системы поддержки принятия управляющих решений (СППР), лицо, принимающее решения (ЛПР), геоинформационный подход

Актуальность построения системы обеспечения качества воды и регулирования антропогенного воздействия на Черное море возникла в связи с проведением активной подготовки к предстоящей в 2 014 году олимпиаде в г. Сочи. На сегодняшний день принято считать, что экосистема Черного моря находится в стрессовом состоянии. Причин выделяют несколько, главными из которых являются массированное загрязнение (химическое, физическое и биологическое), изменение гидрологического баланса Черного и Азовского морей, что в целом привело к тяжелейшим экологическим последствиям.

Система поддержки принятия управляющих решений (СППР) по регулированию антропогенного воздействия на Черное море базируется на известных принципах теории управления организационно-техническими системами, но при этом имеет свои особенности, связанные со спецификой функционирования водных объектов и систем.

Эта специфика заключается как в наличии большого числа внешних факторов, воздействующих на морскую среду, так и в разнообразных связях и отношениях между процессами и явлениями в самой среде.

Причем наличие оперативной информации о влияющих факторах существенно влияет на качество управленческих решений, принимаемых и реализуемых на различных уровнях.

Все вышеперечисленные особенности требуют специальных подходов к построению систем поддержки принятия решений и непременного использования картографических и пространственных представлений процессов управления.

В своем естественном состоянии Черное море представляет собой экологическую систему - часть природной среды, которая имеет пространственно-территориальные границы и, в которой живые (растения, животные) и неживые (вода, земля), её элементы взаимодействуют как единое функциональное целое и связанное обменом веществ и энергией. В современных условиях Черное море - это природноантропогенный объект, то есть природный объект, измененный в результате хозяйственной деятельности, но сохранивший многие черты природного объекта (естественной экологической системы) и имеющей при этом природоохранное и рекреационное значение.

Целью создания геоинформационной СППР по регулированию антропогенного воздействия на Черное море является: представление классических категорий, этапов и процессов управления в единой геопростран-ственной форме, организации на этой основе сквозной, интегральной, согласованной обработки геоинформации, обеспечение лица, принимающего решения (ЛПР) полной, достоверной и оперативной пространственной информацией, с целью информационной поддержки принятия стратегических и оперативных решений по регулированию антропогенного воздействия на Черное море, за счет автоматизации обработки картографических данных на основе современных геоинформационных технологий.

Для получения точной и полной оценки качества водного объекта и прилегающей к нему территории необходимо учитывать достаточное количество факторов, изменяющихся во времени, которые непосредственно описывают их состояние и по которым можно сделать выводы о загрязненности и возможности дальнейшего использования данного объекта для определенных целей [1, 2].

Таким образом, необходимо, получив разнородные данные такие как: результаты химического, гидро-

биологического анализов, анализа почв, результаты обследований и опросов и др., создать на их основе базы геоданных и произвести комплексное оценивание с соблюдением требований единства измерений с целью последующей интеграции, визуализации и предоставления их лицу, принимающему решения

После чего, ЛПР, опираясь на полученные данные, принимает решение о загрязненности водного объекта и вырабатывает дальнейшие действия по устранению причин загрязнений. Процесс регулирования антропогенного воздействия на Черное море является циклическим и может быть представлен в виде структуры, изображенной на рис.1.

Рис. 1. Обобщенная структура СППР по регулированию антропогенного воздействия на Черное море

ЛПР приходится учитывать наличие различных, иногда противоположных оценок. Поэтому говорить о существовании единственного оптимального наиболее предпочтительного альтернативного варианта решения можно далеко не всегда. При этом предполагается, что ситуация принятия решения может быть достаточно сложной, распадаться на несколько подпроблем, каждая из которых может быть представлена с помощью

[6].

частной оптимизированной модели. Поэтому принятие решения в сложной управленческой ситуации может пониматься как решение последовательности частных, иерархически упорядоченных оптимизированных задач.

Сопоставление и агрегация частных решений в сложной ситуации принятия решения осуществляется на высшем иерархическом уровне лицом, принимающим решение (ЛПР), определяющим стратегию развития объекта принятия решений.

Для того чтобы принять оптимальное решение необходимо: уяснить задачи, оценить обстановку,

выработать решение (варианты действий), спланировать дальнейшие действия, организовать выполнение плана.

Выработка и принятие управленческих решений осуществляется при постоянном изменении внешних и внутренних условий функционирования системы. Это делает необходимым использование современных методов информационного обеспечения ЛПР, таких как геоинформационные системы.

В основу геоинформационного подхода входят следующие принципы геоинформационной поддержки управления. Основной принцип состоит в необходимости обеспечения соответствия собственного пространства или формы водного объекта (области водного объекта) и геоситуации их содержанию на этапах управления. Требования принципа: использование геоинформации как единой основы для всех этапов управления,

категории управления должны иметь территориальное выражение, представление и обработка геоданных должны обеспечивать активность геоинформации в системе управления. Под активностью геоинформации в системе управления понимаются такие параметры организации ее представления и использования, при которых геоинформация достигает уровня принятия решений [3]. В задачах управления различается собственно активность геоинформации и активность процессов ее использования. Геоинформация активна в том случае, когда с ее помощью для ЛПР: выделяются наиболее значимые факторы обстановки и оценки;

показываются тенденции изменения этих факторов и оценок; описательные рекомендации руководящих документов получают пространственную интерпретацию и т. д. Процессы использования геоинформации становятся активными, если в результате обработки геоинформации на электронной карте (в геопространстве) отображаются неблагоприятные для использования области водного объекта и возможные варианты улучшения сложившийся ситуации.

Рассмотрим подробнее процесс создания структуры системы поддержки принятия решений по регулированию антропогенного воздействия на Черное море. При этом возникает задача выбора адекватного описания математической модели системы и процесса обработки информации в ней.

Пусть имеется множество элементарных объектов, например, постов наблюдений (см. рис.2), в которых берутся пробы для анализа (химического, гидробиологического, почвенного, экспертного...) Р={р}, каждый

из этих объектов характеризуется вектором значений показателей Ар = {А } , где р € Р,5 е £ — множество

показателей (для рассматриваемого примера это могут быть результаты анализов, например, химического), включающие координаты нахождения постов наблюдений.

На рис.2 приведена таблица с данными химического анализа по некоторым постам наблюдения Черного

Рис. 2 Геоинформационная система оценки качества воды Черного моря

Под комплексом технических средств понимается граф 0(Ь,М), где Ь = {1} - это множество вершин, соответствующих множеству применяемых способов анализа, а М = {т} — множество дуг, соответствующих ин-

формационным связям между объектами (постами), т. е. на какую по размеру область водного объекта могут распространяться данные полученные от одного поста наблюдения, скорость течения, направление ветра и др.

Для примера рассмотрим посты наблюдений, расположенные на побережье Черного моря и при помощи модуля Geostatistical Analyst проследим тенденцию распространения веществ в акватории Черного моря. Ясно, что чем больше постов наблюдения, тем точнее будет результат.

Пусть на множестве вершин и дуг графа G заданы функциональные связи между значениями показателей:

ft к; m m2>mvi) = 0

l e L,    ,lfe e L; m e M,    , mvl e M, t e I,

где I - множество функциональных связей вида (1), заданных в виде графа G . Тогда информационной моделью системы будет считаться граф G , с заданными на нем функциональными связями.

Состояние системы будет называться допустимым, если набор значений показателей Лр = {Л } для

p eP,s eS, т. е. точка в фазовом пространстве B (пространстве показателей) удовлетворяет условиям (1) и

Ар = {Apsi £ Адоп = {АрзУдоп’ p e P’s e S ,

А соответствующее множество B0 - есть множество допустимых состояний.

Для рассматриваемого примера, если продолжать исследовать химический анализ, качество водного объекта следует оценивать по индексу загрязнения воды (ИЗВ) в соответствии с которым определяется класс качества воды [4]. Согласно этой характеристике возможно пять состояний качества воды: от

очень чистой до чрезвычайно грязной. На этом множестве и будет основываться множество допустимых

- q0

состояний B .

Если на множестве B0 определено отношение предпочтения R , можно говорить о выделении из B0 подмножества B (для данного примера - это один из 5 классов качества) недоминируемых по R состоя-

7 *

ний (в частности единственного наиболее предпочтительного b (значение, полученное при расчете ИЗВ))(рис. 3):

B* = {b*| b* e B0,3b e B0: bRb*}

или

K0 : B = Fy

где К0 - задача нахождения допустимого, в смысле (2) состояния Ь (для данного примера - это вы-

7 *

бор, в зависимости от ИЗВ, одного из 5 классов качества воды). Состояние Ь - является решением за-

7^0

дачи К .

Рис. 3 Определение класса качества воды

В результате получим проинтерполированные значения концентраций контролируемых веществ в тех точках, где их значения неизвестны. Загрязняющие вещества имеют высокий уровень концентрации преимущественно около берегов, таких населенных пунктов как Сочи, Хоста, Адлер, Геленжик и др.

Рис. 4 Карта распространения Ю2

Пусть функция выбора реализуется на множестве ЛПР М = {№} . При этом решение задачи К0 тре-

бует ее разбиения на частные подзадачи К у (пример такой частной подзадачи и рассмотрен выше). И

функция выбора может заключаться, например, в отыскании наиболее благоприятных участков водного объекта, менее загрязненных для создания пляжей, баз отдыха и т. п.; или же в отыскании наиболее загрязненных участков, с целью выявления наиболее опасных загрязнителей и организации мероприятий по ликвидации ситуации[5].

Для выработки решения, ЛПР необходимо предварительно оценить обстановку по полученным об объекте данным, чтобы выделить участки водных объектов, представляющие наибольший интерес. Все необходимые данные для оценки качества водного объекта отображаются на карте. За каждым постом наблюдения на водном объекте закреплены результаты исследований, характеристики качества воды, полученные, путем обработки различных методов анализа. Также в наличии имеется база с характеристиками предприятий (уровни сброса вредных веществ, величины водопотребления и др.).

По полученным данным необходимо определить наиболее загрязненные участки водного объекта и выявить преобладающие факторы загрязнений, источники этих загрязнений (предприятия, расположенные на побережье Черного моря и уровни сброса вредных веществ) и принять необходимые меры по ликвидации этих загрязнений и загрязняющих факторов (рис.2). После чего, опираясь на полученный опыт ЛПР должно откорректировать действующий план и (или) разработать новые планы. Вышеописанный процесс принятия управленческих решений можно представить в виде следующей структуры (рис. 4):

Рис. 5 Структура принятия управленческих решений

Таким образом, отображая пространственные и содержательные параметры объектов, их характеристики и взаимосвязи, строятся геоинформационные системы поддержки принятия решений по регулированию антропогенного воздействия.

Как системы управления ГИС предназначены для обеспечения принятия решений по оптимальному управлению водными объектами. При этом для принятия решений в числе других всегда используют картографические данные.

На рис. 5 показана геоинформационная СППР управления водными объектами. Здесь важно отметить, что ЛПР дает управляющие рекомендации, опираясь на результаты контроля состояния водного объекта, данных об уровнях сброса предприятия и др. показатели, постоянно, изменяющиеся во времени. Все эти изменения отражаются в ГИС, что и позволяет ЛПР принять оптимальное на данный момент решение.

Рис.6 Геоинформационная СППР управления водными объектами

Система оценок реализуется в виде законченных АРМ специалиста, что позволяет в зависимости от целевой функции анализа и решаемых задач изменять конфигурацию СППР. В ГИС проявляется множество новых технологий пространственного анализа данных. В силу этого ГИС служит мощным средством преобразования и синтеза разнообразной информации для задач управления.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алексеев В.ВКуракина Н.И. ИИС мониторинга. Вопросы комплексной оценки состояния ОПС на базе ГИС // журнал ГИС-Обозрение.-2000.-№19.

2. Алексеев В.ВГридина Е.ГКуракина Н.И. Вопросы обеспечения единства измерений при формировании комплексных оценок // Сборник трудов Международного симпозиума «Надежность и качество 2005». -

Пенза 2005.

3. Биденко С. И., Комарицын А. А., Яшин А. И. Геоинформационная система поддержки принятия решений // из-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», СПб., 2004

4. Куракина Н.И., Емельянова В.Н., Коробейников С.А., Никанорова Е.С., Оценка качества и пространственное моделирование загрязнения водных объектов на ГИС основе // журнал ArcReview.-2006.-

№1(3 6).

5. Алексеев В.ВКуракина Н.И., Орлова Н.ВГеоинформационная система мониторинга водных объектов и нормирования экологической нагрузки // журнал ArcReview.-2 0 0 6.-№1(3 6).

6. Алексеев В.ВКуракина Н.И., Желтов Е.В. , ГИС комплексной оценки состояния окружающей природной среды // журнал ArcReview.-2007.-№1(40).