Мониторинг экологической обстановки г

УДК 004.9
А.Т. Бисаринова1, А.К. Мамырова, Л.Ш. Балгабаева, А.И.Тажигулова 2
1
Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева
Казахстан, г. Алматы
2
АО «Национальный центр информатизации», Казахстан, г. Алматы
[email protected]
ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ (ГИС) МОНИТОРИНГА
ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ Г.АЛМАТЫ
Аннотация. Одним из путей исследований состояния экологической обстановки
мегаполисов является мониторинг мегаполисов. Для исследования широко используются
геоинформационные технологии, например геоинформационная система (ГИС)
мониторинга экологической обстановки мегаполиса. В данной работе рассматриваются
проблемы ГИС мониторинга экологической обстановки мегаполиса в рамках проблемы
организации информационной среды города Алматы. Рассматриваются информационные
задачи мониторинга экологической обстановки мегаполиса.
Ключевые
слова.
Мониторинг,
геоинформационные
системы
(ГИС),
геоинформационные технологии (ГИТ), мегаполис, экологическая обстановка, цифровые
карты.
На современном этапе самый крупный город в Казахстане с развитой инфракструктурой
и быстро растушим количеством населения является г.Алматы и относится к мегаполисам.
Которому присущи многие проблемы мировых крупных городов, например проблема
качества атмосферного воздуха для города Алматы по сравнению с другими городами
Казахстана стоит особенно остро. В целом благоприятные природно-климатические условия
мегаполиса характеризуются избыточным накоплением загрязняющих веществ в приземном
слое атмосферы, что ведет к образованию смога, ставшего привычным явлением независимо
от времени года. В условиях слабой естественной вентиляции загрязнение атмосферного
воздуха оказывает прямое негативное воздействие на здоровье населения и представляется
наиболее актуальной экологической проблемой, требующей неотложного решения.
По инициативе Управления природных ресурсов и охраны окружающей среды Акимата
города Алматы впервые в стране разрабатывается «пилотный» проект по установлению
целевых показателей загрязнения атмосферного воздуха для Южной столицы.
Правовой базой проекта служат соответствующие нормы Экологического Кодекса РК,
«Концепция перехода Республики Казахстан к устойчивому развитию на 2007-2024 годы»,
одобренная указом Президента страны Н. А. Назарбаевым, постановления Правительства РК
«Об утверждении целевых показателей перехода к устойчивому развитию» и «Правил
определения целевых показателей качества окружающей среды», а также «Временная
методика по определению целевых показателей атмосферного воздуха для города Алматы»,
согласованная с Министерством охраны окружающей среды РК.
Для характеристики текущего загрязнения воздушного бассейна мегаполиса
использовался ретроспективный анализ фонового загрязнения за период с 1992 года, данные
компьютерного моделирования, материалы государственной статистической отчетности,
контролирующих органов, а также специализированных измерений уровня загрязнения
атмосферного воздуха на основных транспортных магистралях города Алматы,
выполненные аккредитованной аналитической лабораторией Центра «Казэкология» [1].
Одним из путей исследований состояния экологической обстановки мегаполисов
является мониторинг мегаполисов.
Для
исследования широко используются
геоинформационные технологии, например ГИС мониторинга экологической обстановки
мегаполиса.
1
Геоинформационная система (ГИС) - это многофункциональная информационная
система, предназначенная для сбора, обработки, моделирования и анализа пространственных
данных, их отображения и использования при решении расчетных задач, подготовке и
принятии решений. Основное назначение ГИС заключается в формировании знаний о Земле,
отдельных территориях, местности, а также своевременном доведении необходимых и
достаточных пространственных данных до пользователей с целью достижения наибольшей
эффективности их работы.
Так как в ГИС осуществляется комплексная обработка информации (от ее сбора до
хранения, обновления и предоставления), их можно рассматривать со следующих различных
точек зрения:
 ГИС как система управления - предназначена для обеспечения поддержки принятия
решений на основе использования картографических данных;
 ГИС как автоматизированная информационная система - объединяет ряд технологий
известных информационных систем (САПР и других);
 ГИС как геосистема - включает технологии фотометрии, картографии;
 ГИС как система, использующая БД, - характеризуется широким набором данных,
собираемых с помощью разных методов и технологий;
 ГИС как система моделирования, система предоставления информации - является
развитием систем документального оборота, систем мультимедиа и т.д.[2].
Геоинформационные технологии (ГИТ) — это информационные технологии
обработки
географически
организованной
информации.
Основной особенностью ГИС, определяющей ее преимущества в сравнении с другими АИС,
является наличие геоинформационной основы, т.е. цифровых карт (ЦК), дающих
необходимую информацию о земной поверхности. При этом ЦК должны обеспечивать:
• точную привязку, систематизацию, отбор и интеграцию всей поступающей и хранимой
информации
(единое
адресное
пространство);
•
комплексность
и
наглядность
информации
для
принятия
решений;
•
возможность
динамического
моделирования
процессов
и
явлений;
• возможность автоматизированного решения задач, связанных с анализом особенностей
территории;
• возможность оперативного анализа ситуации в экстренных случаях[2].
Мониторинг
городской
окружающей
среды
–
одна
из
актуальных
народнохозяйственных и научных задач в настоящее время, так как направление на решение
таких глобальных проблем, как оценка экологической обстановки, влияющей на жизнь и
здоровье большого количества людей, живущих в мегаполисе [3].
Для значительной доли горожан жизненно важен вопрос о качестве атмосферы в родном
городе и близлежащих районах.
Система экологического мониторинга предусматривает оперативный доступ к
спутниковой информации удаленных пользователей и использование экологической
информации для устойчивого развития социальных структур без деградации среды обитания
[3].
Рассмотрим информационные задачи мониторинга экологической обстановки
мегаполиса.Экологический
мониторинг (мониторинг
окружающей
среды) —
это
комплексная система наблюдений за состоянием окружающей среды, оценки и
прогноза изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и
антропогенных факторов[4].
На территории города Алматы уже имеется ряд сетей наблюдений, принадлежащих
различным службам, и которые ведомственно разобщены, не скоординированы в
хронологическом, параметрическом и других аспектах. Поэтому задача подготовки оценок,
прогнозов, критериев альтернатив выбора управленческих решений на базе имеющихся в
регионе ведомственных данных становится, в общем случае, неопределенной. В связи с
этим, центральными проблемами организации экологического мониторинга являются
2
эколого-хозяйственное районирование и выбор
«информативных
показателей»
экологического состояния территорий с проверкой их системной достаточности.
В созданий экологического мониторинга выбрана южная столица, город –Алматы. Одна
из самых загрезненных городов РК. Алма-Ата характеризуется довольно сложной
экологической ситуацией из-за своего расположения в предгорной котловине. Как и
имеющие подобные характеристики рельефа Афины и Лос-Анджелес, Алматы страдает из-за
сильной загазованности воздуха, дефицита строительных площадок в городской черте,
стремлением населения жить ближе к центру города, а не на его окраинах, некоторой
перенаселённости, массовой миграции сельского населения в город. Город изначально был
рассчитан проектировщиками на 400 тыс. жителей, однако в настоящий момент только
официально зарегистрированное население города составляет 1 600 000 человек на 21 апреля
2014 года. Над городом постоянно висит серый смог. Более 80 % загрязнения воздуха в
городе приходится на автотранспорт. По последним данным, в Алма-Ате имеются 800 тысяч
автомашин, и количество их с каждым днем растет. Ежегодно эти автомашины выделяют в
воздух города около 250—260 тысяч тонн вредных отходов. Таким образом, на каждого
жителя города приходится более 200 кг вредных веществ.
Виды и подсистемы экологического мониторинга
При организации мониторинга возникает необходимость решения нескольких задач
разного уровня, поэтому И. П. Герасимов (1975) предложил различать три ступени (вида,
направления) мониторинга: биоэкологический (санитарно-гигиенический), геосистемный
(природно-хозяйственный)и биосферный (глобальный). Однако, данный подход в аспекте
экологического мониторинга не дает четкого разделения функций его подсистем, ни
районирования, ни параметрической организации и представляет, в основном, исторический
интерес.
Различаются такие подсистемы экологического мониторинга, как: геофизический
мониторинг (анализ данных по загрязнению, мутности атмосферы, исследует
метеорологические и гидрологические данные среды, а также изучает элементы неживой
составляющей биосферы, в том числе и объектов, созданных человеком); климатический
мониторинг(служба контроля и прогноза колебаний климатической системы. Охватывает ту
часть биосферы, которая влияет на формирование климата: атмосферу, океан, ледяной
покров и др. Климатический мониторинг тесно смыкается с гидрометеорологическими
наблюдениями.); биологический мониторинг (основанный на наблюдении за реакцией
живых организмов на загрязнение окружающей среды); мониторинг здоровья населения
(система мероприятий по наблюдению, анализу, оценке и прогнозу состояния физического
здоровья населения) и др..
В общем виде процесс экологического мониторинга можно представить схемой:
Окружающая среда (города Алматы) → измерение параметров различными
подсистемами мониторинга → сбор и передача информации → обработка и представление
данных (формирование обобщенных оценок), прогнозирование.
Система экологического мониторинга предназначена для обслуживания систем
управления качеством окружающей среды. Информация о состоянии окружающей среды,
полученная в системе экологического мониторинга, используется системой управления для
предотвращения или устранения негативной экологической ситуации, для оценки
неблагоприятных последствий изменения состояния окружающей среды, а также для
разработки прогнозов социально-экономического развития, разработки программ в области
экологического развития и охраны окружающей среды.
В системе управления можно также выделить три подсистемы: принятие решения
(специально уполномоченный государственный орган), управление выполнением решения
(например, администрация предприятий), выполнение решения с помощью различных
технических или иных средств.
Подсистемы экологического мониторинга различаются по объектам наблюдения.
Поскольку компонентами окружающей среды являются воздух, вода, минерально-сырьевые
3
и энергетические ресурсы, биоресурсы, почвы и др., то выделяют соответствующие им
подсистемы мониторинга. Однако, подсистемы мониторинга не имеют единой системы
показателей, единого районирования территорий, единства в периодичности отслеживая и
др., что делает невозможным принятие адекватных мер при управлении развитием и
экологическим состоянием территорий [5]. Поэтому при принятии решений важно
ориентироваться не только на данные «частных систем» мониторинга (гидрометеослужбы,
мониторинга ресурсов, социально-гигиенического, биоты и др.), а создавать на их основе
комплексные системы экологического мониторинга.
Уровни мониторинга
Мониторинг является многоуровневой системой. В хорологическом аспекте обычно
выделяют системы (или подсистемы) детального, локального, регионального, национального
и глобального уровней [6]. Низшим иерархическим уровнем является уровень детального
мониторинга реализуемого в пределах небольших территорий (участков) и т.д. [7].
При объединении систем детального мониторинга в более крупную сеть (например, в
пределах района и т.п.) образуется система мониторинга локального уровня. Локальный
мониторинг предназначен обеспечить оценку изменений системы на большей площади:
территории города, района. Локальные системы могут объединяться в более крупные –
системы регионального мониторинга, охватывающие территории регионов в пределах края
или области, или в пределах нескольких из них. Подобные системы регионального
мониторинга, интегрируя данные сетей наблюдений, различающихся по подходам,
параметрам, территориям отслеживания и периодичности, позволяют адекватно
формировать комплексные оценки состояния территорий и давать прогнозы их развития.
Разработка модели структуры ГИС мониторинга экологической обстановки мегаполиса
на основе системного подхода
Ei
D
КВ
i.
Т
S
Т
Рi
Ei
Вi
М
Т
Т
Рисунок-1. Структура ГИС МЭОМ на основе системного подхода
Процесс синтеза модели системы ГИС мониторинга экологической обстановки
мегаполиса (МЭОМ ) на базе системного подхода условно представлен на рис. 1.
На основе исходных данных D, которые известны из анализа мониторинга внешней
системы экологической обстановки воздушного бассейна г. Алматы, и тех ограничений,
4
которые накладываются на систему сверху либо исходя из возможностей ее реализации, и на
основе цели функционирования формулируются исходные требования Т к модели системы
ГИС МЭОМ S. На базе этих требований формируются ориентировочно некоторые
подсистемы Рi , элементы Ei и осуществляется наиболее сложный этап синтеза – выбор Вi
составляющих системы, для чего используются специальные критерии выбора КВi.
Стадии разработки модели структуры ГИС МЭОМ. На базе системного подхода
разработана некоторая последовательность разработки моделей, когда выделяют две
основные стадии проектирования ГИС: макропроектирование и микропроектирование.
На стадии макропроектирования на основе данных о реальной системе S и внешней
среде строится модель внешней среды, выявляются ресурсы и ограничения для построения
модели системы, выбирается модель системы и критерии cтруктур ГИС МЭОМ,
позволяющие оценить адекватность модели М реальной системы S.
Стадия микропроектирования в значительной степени зависит от конкретного типа
выбранной модели. В случае имитационной модели необходимо обеспечить создание
информационного, математического, технического и программного обеспечений систем
моделирования. Независимо от типа используемой модели М при ее построении необходимо
руководствоваться рядом принципов системного подхода:
1) пропорционально-последовательное продвижение по этапам и направлениям создания
модели;
2) согласование информационных, ресурсных, надежностных и идругих характеристик;
3) правильное соотношение отдельных уровней иерархии в системе моделирования;
4) целостность отдельных обособленных стадий построения модели.
Рассмотрение задачи микропроектирования ГИС МЭОМ на основе использования
имитационной модели предстоит в следующих работах.
ЛИТЕРАТУРА
1.greensalvation.org. КРУГЛЫЙ СТОЛ по осуждению проекта «Установление целевых
показателей загрязнения атмосферного воздуха для г. Алматы». 25.01.2015г
2. http://gistechnik.ru/publik/git.html
3.Спутниковый мониторинг окружающей среды мегаполиса в информационном
обществе
А.Д. Балашов, Кудашев Е.Б. Информационное общество, 2002, вып. 1, - С. 40-43.
4. Израэль Ю. А. Экология и контроль состояния природной среды. - Л.:
Гидрометеоиздат, 1979, - С. 376 с.
5. Израэль Ю.А Глобальная система наблюдений. Прогноз и оценка окружающей
природной среды. Основы мониторинга. - Метеорология и гидрология. 1974, № 7. - С.3-8.
6.Сюткин В. М. Экологический мониторинг административного региона (концепция,
методы, практика на примере Кировской области). — Киров: ВГПУ, 1999. - С. 232 с.
7.Кузенкова Г. В. Введение в экологический мониторинг: учебное пособие. —
Н.Новгород: НФ УРАО, 2002. - С. 72 с.
REFERENCES
1.greensalvation.org. KRUGLYY STOL po osuzhdeniyu proyekta «Ustanovleniye tselevykh
pokazateley zagryazneniya atmosfernogo vozdukha dlya g. Almaty». 25.01.2015g
2.http://gistechnik.ru/publik/git.html
3.Sputnikovyy monitoring okruzhayushchey sredy megapolisa v informatsionnom obshchestve
A.D. Balashov, Kudashev Ye.B. Informatsionnoye obshchestvo, 2002, vyp. 1, - S. 40-43.
4. Izrael' YU. A. Ekologiya i kontrol' sostoyaniya prirodnoy sredy. - L.: Gidrometeoizdat,
1979, - S.376.
5. Izrael' YU.A Global'naya sistema nablyudeniy. Prognoz i otsenka okruzhayushchey
prirodnoy sredy. Osnovy monitoringa. - Meteorologiya i gidrologiya. 1974, № 7. - S.3-8.
6.Syutkin V. M. Ekologicheskiy monitoring administrativnogo regiona (kontseptsiya, metody,
praktika na primere Kirovskoy oblasti). — Kirov: VGPU, 1999. - S. 232.
5
7.Kuzenkova G. V. Vvedeniye v ekologicheskiy monitoring: uchebnoye posobiye. —
N.Novgorod: NF URAO, 2002. - S. 72 s.
А.Т. Бисаринова, А.Қ. Мамырова, Л.Ш. Балгабаева, А.І.Тажигулова
Алматы қаласының экологиялық жағдайының мониторингісінің геоақпараттық
жүйелері (ГАЖ)
Түйіндеме. Бұл мақалада Алматы қаласының ақпараттық ортаны ұйымдастыру мәселесі
шеңберінде экологиялық жағдайды бақылау үшін геоақпараттық жүйе (ГИС) мәселесі
қарастырылады. Сонымен қатар мегаполистің экологиялық жағдайына мониторинг
жүргізудің ақпараттық мәселесі қарастырылады.
Түйін сөздер: Мониторинг, геоақпараттық жүйелер (ГАЖ), геоақпараттық
технологиялар (ГАT), мегаполис, экологиялық жағдай, сандық карталар.
A.T. Bissarinova, A.K. Mamyrova, L.SH. Balgabayeva, A.I.Tazhigulova
Geographic information systems (GIS) monitoring of ecological situation Almaty city
Abstract. In this paper the problems of GIS monitoring of environmental conditions of
megalopolis problems within the organization of the information environment of the Almaty city
are considered. The informational goals of monitoring the environmental situation in the
megalopolis are considered.
Keywords. Monitoring, geographic information systems (GIS), geographic information
technology (GIT), megalopolis, environmental conditions, digital maps.
Сведения об авторах:
1) А.Т. Бисаринова докторант по специальности 6D070300 - Информационные системы,
Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева, [email protected],
тел:87017318088.
2) А.К. Мамырова, к.т.н., доцент кафедры ИТ, Казахский национальный технический
университет имени К.И. Сатпаева
3) Л.Ш. Балгабаева, к.т.н., доцент кафедры ИТ, Казахский национальный технический
университет имени К.И. Сатпаева
4) А.И.Тажигулова, д.п.н., профессор, президент АО «Национальный центр
информатизации», Казахстан, г. Алматы
6