Применение ГИС-технологий и методов экспертного анализа для расстановки постов биомониторинга

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ПРИМЕНЕНИЕ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ И МЕТОДОВ ЭКСПЕРТНОГО АНАЛИЗА ДЛЯ РАССТАНОВКИ ПОСТОВ БИОМОНИТОРИНГА

И.М. ЯННИКОВ, первый заместитель начальника ГУ МЧС России по Удмуртской республике, канд. техн. наук,

М.В. ТЕЛЕГИНА, доц. каф. автоматизированных систем обработки информации и управления Ижевского ГТУ, канд. техн. наук

Юсновами государственной политики в области обеспечения безопасности населения Российской Федерации и защищенности критически важных и потенциально опасных объектов от угроз техногенного, природного характера и террористических актов» предусмотрено создание систем мониторинга опасных объектов для своевременного обнаружения и предотвращения, а также оценки и прогнозирования последствий выбросов (вы-лива) в окружающую среду отравляющих веществ и продуктов их деструкции.

Комплексный экологический мониторинг потенциально опасных химических объектов (ПОХО) призван решить одну из важных задач - выявление характера развития ситуации на объекте по имеющейся информации для поддержки принятия управленческих решений. На наш взгляд, наиболее высокий уровень экологического контроля и мониторинга окружающей среды создан на объектах по уничтожению химического оружия (УХО) в рамках Федеральной целевой программы «Уничтожение запасов химического оружия в Российской Федерации» в силу высокой специфичности указанных объектов, уникальной приборной и методологической базы, а также специального характера решаемых проблем по контролю и мониторингу отравляющих веществ и продуктов из деструкции в окружающей среде. Наработанная методологическая база на объектах УХО может и должна быть использована на всех потенциально опасных химических объектах.

В ряде субъектов Российской Федерации, где размещены указанные объекты, в том числе и в Удмуртской Республике, создана и действует многоуровневая система контроля и прогнозирования чрезвычайных ситуаций. Однако она не может дать полных гарантий обеспечения безопасности окружающей сре-

mari_tel@mail.ru

ды при работе потенциально опасного объекта и, следовательно, методы функционирования системы контроля и методы осуществления мониторинга нуждаются в дополнении и совершенствовании [7].

Цель биомониторинга как части комплексного мониторинга объекта - это оценка и контроль влияния ПОХО на окружающую природную среду в зоне защитных мероприятий с использованием биологических объектов-индикаторов.

Задача размещения постов

В целях организации системы биологического мониторинга в зоне защитных мероприятий (ЗЗМ) и санитарно-защитной зоне (СЗМ) объекта должны быть выбраны и оборудованы посты биомониторинга в конкретных природных экосистемах на локальных участках исследуемой территории, на которых будет осуществляться контроль состояния индикаторных биологических объектов в режиме периодических наблюдений.

Пост биомониторинга - участок природной экосистемы, на котором периодически проводятся наблюдения за состоянием биологических объектов и/или осуществляется отбор биологических проб для лабораторного анализа [1]. При выборе местоположения постов биологического мониторинга необходимо учитывать следующие особенности экосистемной организации территории:

- разнообразие типов природных экосистем, их относительное количество;

- степень антропогенной трансформации природных экосистем;

- наличие других источников воздействий;

- скорость распространения и характер природной трансформации эффектов воздействий объекта;

146

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2009

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

- доступность конкретных участков для наблюдения;

- наличие особо охраняемых территорий;

- выбор стандартов сравнения.

Классическая система пробоотбора с

точками пробоотбора, расположенными по двадцати четырем румбам, учитывает выброс веществ и их перемещение только воздушным путем [3]. Несомненным достоинством данной системы является совмещение принципа репрезентативности выбора точек с требованиями обеспечения корреляции расчетных моделей. Однако данная схема обладает существенными недостатками. В частности, не учитываются особенности рельефа, растительности, почвы и типов материнской породы. И как следствие при большом количестве расставленных постов эффективность их использования невелика, так как заведомо в точках пробоотбора вероятность нахождения продуктов деструкции будет незначительна.

Использование экологических полигонов для стандартов сравнения

С целью биологического контроля качества окружающей среды в ЗЗМ производственного объекта информация о параметрах биоиндикаторов, получаемая в процессе биомониторинга и отражающая текущее состояние природных экосистем, оценивается на соответствие стандартам, которые характеризуют это состояние как приемлемое (допустимое, нормальное). В качестве стандарта для сравнения выбирается «эталон» - ее состояние в прошлом до появления новых воздействий.

Для формирования эталонов биоиндикаторов, а также для экспериментального изучения трансформации природных объектов и биологических систем целесообразно создание в пределах ЗЗМ/СЗЗ объекта экологического идентификационного полигона научно-исследовательского, научно-технического и прикладного назначения. Создание экологических полигонов необходимо, потому что подавляющее большинство суперэкотоксикантов являются нестабильными и в природных условиях существуют

непродолжительное время, разрушаясь под действием ряда физических факторов окружающей среды и вступая во взаимодействие с компонентами природных вод, почвы, живыми организмами [1, 3]. Поскольку функции воздействия отравляющих веществ и продуктов их деструкции носят нелинейный характер, только в условиях полигона, при условии постановки «острых» полевых экспериментов, возможно определение зависимостей «доза-эффект» и «время-реакция» и моделирование сценариев развития ситуации на объекте. С применением полигона возрастает оперативность получения данных с учетом поправок на возможность приспособления биологических объектов (адаптация, компенсация) к техногенному воздействию с нарастанием интенсивности действия во времени [4, 6, 7].

Основные функции экологического идентификационного полигона:

- изучение трансформации (реакции, особенностей и скорости самовосстановления, пределов насыщения, порогов воздействия) экологических (природных и техногенных) и экосоциальных систем под влиянием поллютантов и продуктов их превращений;

- разработка схем и систем многоступенчатого комплексного экологического мониторинга;

- выявление спектра видов животных и растений - индикаторов, аккумуляторов и деструкторов по каждому конкретному поллютанту;

- разработка схем, систем и конкретных технологий ремедиации и рекультивации земель, подвергшихся трансформации, по каждому поллютанту или комбинации воздействий.

Структура экспертной геоинформационной системы расстановки постов биомониторинга

Размещение постов биомониторинга требует комплексного подхода, так как должны быть учтены и критерий равномерности размещения пунктов, и особенности ландшафта, в частности рельефа и лесорастительных условий, минимума антропогенного «шума» - хозяйственной деятельности,

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2009

147

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

промышленного техногенеза, дорог с интенсивным движением, плотной застройки. Для учета всех параметров и максимальной объективности необходимо автоматизировать процесс размещения постов биомониторинга. В то же время для учета всех критериев необходима выработка правил экспертного анализа для принятия решений по редактированию расставленных постов биомониторинга. То есть при определенном типе растительности, типе почвы и значении уклона рельефа анализ в данной точке может быть вообще нецелесообразен, тогда данный пост необходимо либо исключить из списка, либо переместить в соответствии с правилами (ниже по рельефу на определенный тип растительности). Поэтому необходима система, имеющая функции автоматизированной расстановки постов и функции экспертного анализа для их дальнейшего редактирования.

Такие данные, как рельеф, тип почвы и материнской породы, тип растительности, являются геоинформацией местности. При автоматизированной обработке картографической информации необходимо специализированное программное обеспечение, поддерживающее соответствующие формы цифрового представления информации и позволяющее оперировать ею в целях решения разнообразных задач анализа. Системы такого рода получили название географических информационных систем (ГИС). ГИС содержит данные о пространственных объектах (пространственные данные) в виде их цифровых представлений, объединенных в набор слоев, образуя информационную модель предметной области - территории, а также набор операций, определяющих функциональные возможности ГИС и реализующих информационные технологии программными средствами [1, 2].

ГИС являются хорошей средой для внедрения методов искусственного интеллекта и экспертных систем. Это вызвано, с одной стороны, разнообразием и сложностью данных в ГИС, с другой - наличием большого числа экспертных задач при использовании ГИС. Для реализации системы расстановки постов разработана экспертная геоинформационная система (ЭГИС), от-

носящаяся к типу ЭГИС, решающих задачи всестороннего анализа атрибутивных и картографических данных для управления и принятия решений [6].

Система состоит из базы данных, блока картографической информации, блока расстановки пунктов, блока построения буферных зон, блока анализа положения точек, базы правил, блока принятия решений по смещению точек и блока визуализации картографической и табличной информации. Структура системы приведена на рис. 1.

Цифровые карты местности и база атрибутивных данных. В компьютерном картографировании электронные (или цифровые) карты являются весьма эффективным средством хранения пространственной информации. Одним из базовых принципов организации данных является принцип послойной организации информации. Он обладает очевидной наглядностью и хорошо соотносится с приемами традиционной картографии. Происходит деление объектов на слои. Объекты, отнесенные к одному слою, образуют некоторую логическую единицу данных. Объекты, входящие в один слой, могут собираться в один файл, иметь отдельную от других слоев атрибутивную.

В данной системе используются слои растительности, населенных пунктов, речной сети, почв, рельефа. Каждому объекту в слое приписаны соответствующие атрибуты - данные. Структура таблиц (списков) для каждого слоя индивидуальна. В табл. 1 приведена структура списка слоя «Почва» для Камбарс-кого района Удмуртской Республики.

База данных ГИС Цифровые карты местности

1

Блок построения буферных зон Блок расстановки постов

ЭКСПЕРТ IX i

» Блок анализа положения постов

I

База Блок принятия решений

правил по смещению постов

Импорт координат постов I Блок визуализации <

ПОЛЬЗОВАТЕЛЬ

Рис. 1. Структура системы автоматизированной расстановки постов биомониторинга

148

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2009

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Таблица 1

Структура таблицы слоя «Почва»

Код Тип почвы Почвообразующие породы

7 Аллювиальные болотные иловато-торфяно-гелеевые Частая смена по глубине и площади пород различного состава с преобладанием суглинков и глин

13 Аллювиальные дерновые кислые Частая смена по глубине и площади пород различного состава с преобладанием супесей и песков

15 Дерново-сильноподзолистые Песчаные

16 Аллювиальные дерновые кислые Частая смена по глубине и площади пород различного состава с преобладанием суглинков и глин

20 Смытые и намытые почвы оврагов, болот и прилегающих склонов Супесчаные

21 Дерново-сильноподзолистые Легкосуглинистые

22 Аллювиальные иловато-торфные Торф, ил

24 Дерново-сильноподзолистые Супесчаные

25 Дерново-сильноподзолистые Легкосуглинистые

Входной информацией блока расстановки постов является необходимое количество постов. Для начала на предварительно выбранном участке (отмечаются границы участка) эксперт в интерактивном режиме отмечает точки, где размещение постов обязательно. При этом учитываются и уже существующие пункты государственного экологического мониторинга, и особенности местности, и закономерности процессов стока в ландшафтах, неоднородности почвенно-растительного покрова. Далее осуществляется с помощью триангуляции Делоне автоматическая расстановка недостающего количества постов. Исходными точками для треугольников служат точки обязательного пробоотбора, расставленные экспертом, а также вспомогательные точки по углам изображения.

Общее количество расставляемых точек можно регулировать, что обеспечивает учет заданной плотности и регулярности расставленных постов для достоверного отображения данных с применением методов пространственной интерполяции по измеренным данным.

Блок построения буферных зон предназначен для возможности исключения антропогенного «шума» при расстановке постов. Буферная зона - это площадная зона вокруг объекта. Размер зоны может быть фиксирован или меняться в зависимости от характеристик объекта (площадь объекта, степень антропогенной нагрузки и т.д.). Например,

более 10 метров от дороги, более 5 метров от строений и т.д.

В блоке анализа положения постов

биомониторинга происходит анализ данных местности (слоев карт), куда попали расставленные посты.

В первую очередь необходимо проанализировать области, где взятие проб нецелесообразно или невозможно. Необходимо выделить те объекты (или слои), попавшие на которые точки исключаются. В качестве таких объектов выступают слой гидрографии, буферные зоны определенных объектов и т.д. Посты, попадающие в области, где взятие проб нецелесообразно или невозможно, исключаются из анализа. При необходимости посты, попадающие в буферные зоны объектов, можно сместить автоматически за край зоны по направлению от центра объекта.

Далее анализируются тип растительности, почвы и значения крутизны ската (слой рельефа) по атрибутивным данным для каждого расставленного поста. Именно по совокупности этих данных определяются правила автоматического редактирования размещения постов биомониторинга.

В исходном виде электронная карта рельефа поверхности местности представляет собой нерегулярную сеть отметок высот. Для определения параметров уклона каждой расставленной точки необходимо предварительно провести триангуляцию сети отметок высот и в итоге получить сеть треугольников, соединяющих отметки высот [1].

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2009

149

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Данные по

рельефу

(уклон

поверхности)

Данные по растительности

РЕШЕНИЯ

об изменении

положения

поста

Рис. 2. Представление правил в виде графа

'Усйрвйя^

Уклон |о*15 т]

В иды почв |Дллювиальные болотные иловато-торфяно-гелеевые "} Тип растительности |луг

Е

Действие | Разместить пункт Т1 Добавить |

EnJ *1

Уклон Вид почв Т ип растителностк Действие Редактирование Удаление Save

1 15-30 | Лес (подлесок отсудерново-сильнопод Разместить пункт —* Load

2 45-60 Гарь аллюмиальные дер Сместить пункт - - Е

Рис. 3. Окно редактирования базы правил смещения постов биомониторинга

В базе правил системы должны храниться условия редактирования положения постов в зависимости от типов растительности и почвы и значений крутизны ската, представляющие собой набор правил, определяемых экспертом. Решениями по редактированию размещения постов являются: удаление поста, оставление без изменения и смещение по направлению ската до начала объекта в слое «Растительность». Схематично правила можно представить в виде модели графа (рис. 2), где каждому уровню соответствует вид анализируемых данных. Считается, что реализация знаний в виде программного продукта с

помощью правил относительно недорогая, но структура ЭС при этом получается жесткой, внесение изменений и поправок оказывается сложным и неэффективным [6]. С другой стороны, хотя поверхностные представления не позволяют формировать суждения и концепции, с их помощью можно находить решения эмпирически ассоциированных проблем. Для возможности изменения структуры системы, правил анализа и принятия решений по смещению поста в разрабатываемой системе предусмотрена гибкая изменяемая база правил принятия решений. Для этих целей создано окно диалога редактирования базы правил (рис. 3).

150

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2009

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Рис. 4. Пример карты анализируемой местности с расставленными постами

Рис. 5. Пример смещения постов биомониторинга в соответствии с правилами

Значения уклона задаются в виде интервала значений. Предусмотрено внесение новых данных по типам растительности и почв, а также добавление новых параметров для анализа положения постов.

Блок принятия решений по смещению точек учитывает рельеф, растительность и попадание пункта в буферную зону объектов.

На рис. 4. показан пример карты анализируемой местности с расставленными постами биомониторинга. Расставлено 23 поста биомониторинга.

На рис. 5 приведен пример смещения постов биомониторинга в соответствии с правилами. Слои растительности и рельефа при анализе учтены, но в данных примерах не отображены в виду перекрытия слоев карты

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2009

151

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

местности. Исключено 3 поста, попавших на объекты гидрографии, оставлены на месте расстановки 7 постов. Смещены 13 постов биомониторинга по направлению снижения уровня рельефа до начала объекта слоя «Растительность».

По окончании процедуры смещения точек происходит сохранение географических координат расставленных пунктов пробоотбора биологических объектов и печать таблицы точек с координатами. Необходимо отметить реализованный автоматический анализ расположения постов на присутствие последних во всех экосистемах данной местности (лесные, луговые, водные) в заданных пропорциях, что обеспечивает требование репрезентативности системы пробоотбора.

Таким образом, разработанная экспертная геоинформационная система автоматизированного размещения пунктов постов биомониторинга обладает возможностями:

- пользователю-непрограммисту вести диалог на естественном языке и применять методы визуализации информации для эффективного использования ЭВМ и решения задач расстановки постов мониторинга;

- решения нового класса задач - анализа пространственных и атрибутивных картографических данных для проблем биомониторинга;

- решения сложных вопросов из-за многообразия анализируемой информации и длительности обычного решения.

В разработанной системе учтены основные требования проектирования системы пробоотбора, такие как репрезентативность, обеспечение заданной плотности и регулярности, учет особенностей растительности, рельефа, почвы и материнских пород.

Разрабатываемая система позволит максимально формализовать принятие решений по размещению постов биомониторинга и будет являться неотъемлемой частью системы биомониторинга потенциально опасных химических объектов. Несомненным достоинством системы является комплексный подход к учету всех особенностей ландшафта и автоматизация процесса. Данный подход к расстановке постов может быть применен не только при расстановке постов биомони-

торинга, но и при мониторинге почв сильнозагрязненных территорий в процессе их рекультивации.

Совместное применение ГИС-техно-логий и методов экспертного анализа позволит ставить и решать новые задачи анализа картографической и атрибутивной информации в системах поддержки принятия решений в разнообразных областях человеческой деятельности.

Библиографический список

1. Телегина, М.В. Структура системы автоматизированной расстановки пунктов биомониторинга потенциально опасных объектов / М.В. Телегина, И.М. Янников, В.В. Евдокимовский и др. // Мониторинг природных экосистем. Всероссийская научно-практическая конференция: сборник статей.

- Пенза: РИО ПГСХА, 2008. - С. 200-203.

2. Телегина, М.В. Применение ГИС-технологии в обеспечении безопасности объекта уничтожения химического оружия (ОУХО) / М.В. Телегина, И.М. Янников, В.В. Евдокимовский и др. // Материалы 1 всероссийской научно-технической конференции «Современные информационные технологии в деятельности органов власти «ИН-ФОРТЕХ-2008». - Курск, 2008. - С. 57-58.

3. Чупис, В.Н. Экологический мониторинг объектов уничтожения химического оружия - опыт создания и перспективы развития / В.Н. Чупис // Теоретическая и прикладная экология. - 2007. - № 2.

- С. 35-41.

4. Янников, И.М. Информационные технологии обработки данных биомониторинга объекта уничтожения химического оружия / И.М. Янников, М.В. Телегина // Труды конференции семинара «Теория управления и математическое моделирование». - Ижевск, 2008. - С. 47-50.

5. Янников, И.М. Выявление спектра травянистых растений перспективных в качестве фитомелиорантов / И.М. Янников, Т.Г. Габричидзе, Т.Л. Зубко и др. // Вестник ИжГТУ - 2007. - № 2. -С. 138-140.

6. Янников, И.М. Экспертно-аналитическая система биомониторинга объекта уничтожения химического оружия / И.М. Янников, М.В. Телегина // Труды международных научно-технических конференций «Интеллектуальные системы» (AIS’08) и «Интеллектуальные САПР» (CAD-2008). Научное издание в 4 т. - М.: Физматлит, 2008. - Т. 2. - С. 14-16.

7. Янников, И.М. Новые подходы к организации контроля загрязнений и аварийных выбросов в районах размещения объектов по хранению и уничтожению химического оружия / И.М. Янников // Проблемы урбанизированных территорий. - 2008.

- № 2. - С. 106-109.

152

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2009