Курсовая работа (т): Использование информационных технологий при решении экологических задач на примере Алтайского края

Использование информационных технологий при решении экологических задач на примере Алтайского края

Использование информационных технологий при решении экологических задач на примере Алтайского края

Введение

Возрастающие масштабы взаимодействия природы и человека, явления неразумной эксплуатации природных ресурсов, техногенной нарушенности и промышленного загрязнения приводят к значительному ухудшению состояния природной среды, условий жизнедеятельности людей и их здоровья. Обострение экологической ситуации делает все более актуальными работы по созданию информационных баз, прикладных геоинформационных систем и использованию ГИС-технологий для решения комплекса проблем, возникающих в области природопользования и охраны окружающей среды.

Для решения различных экологических задач, первоначально эти работы сводились, в основном, к созданию баз экологических данных инвентарного типа и их обработке в режиме информационно-поисковых систем по различным направлениям экологических исследований.

В качестве примеров можно назвать разработанные в то время банки гидрологических, гидрохимических, гидрогеологических, почвенных, геоботанических данных и соответствующие системы их поддержки для решения задач экологического мониторинга, экологической экспертизы проектов и других.

Разрабатывались эффективные алгоритмы обработки изображений, создавались средства и технологии их использования при изучении состояния природных ресурсов и экологического состояния территорий.

Имеются практические результаты по интеграции ГИС-средств организации и отображения пространственных данных со средствами анализа информации (статистического анализа, математического моделирования и др.) для создания ГИС-приложений в операционной среде FOXPRO.

Ниже приводятся предлагаемые в настоящее время типы информационных технологий и примеры их использования в прикладных информационных системах. Они представляют собой комплексные системы на базе инструментальных картографических средств, СУБД и традиционных языков программирования.

1. Картографическая инструментальная система Arc/Info

Основное применение: создание и редактирование цифровых картографических основ территорий, мнемосхем, картосхем различного тематического содержания.

С целью решения региональных экологических задач для территории Алтайского края с использованием Arc/Info созданы цифровые картоосновы края (гидрография, населенные пункты, дорожная и автомобильная сети, границы административных районов), ландшафтная карта края, некоторые топоосновы административных районов, карты плотности населения края, карты структуры лесов и ряд других тематических карт (например, рис.1).

Рис.1. Цифровая картооснова Алтайского края

Типичным примером использования возможностей Arc/Info можно назвать ее применение в работах по изучению влияния ядерных взрывов на Семипалатинском полигоне на окружающую среду и здоровье населения Алтайского края. С помощью этой системы была выполнена обрисовка на ЭВМ около 80 типов тематических карт, отображающих результаты анализа и оценки данных в пространственном виде. Пример такой карты представлен на рис.2.

Рис.2. След от ядерного взрыва 1949 года

1.1 Языки программирования Foxpro, Pascal, С

Основное применение:

создание атрибутивных баз данных различной тематической направленности;

создание информационных систем для работы с атрибутивными базами данных, ориентированными на конечных пользователей;

математическая, статистическая обработка данных.

Приведем два типичных примера использования названных языков программирования в работах, проводимых по программе «Семипалатинского полигона» [1].

. Использование системы Foxpro для накопления, систематизации, хранения данных по основным загрязнителям природных объектов и показателям заболеваемости населения Алтайского края и создание информационно-справочной системы для поиска и отображения данных по запросам исследователей. В качестве природных объектов расматривались воздух, вода, почва, растения, снег, продукты животноводства. В качестве загрязнителей - тяжелые металлы, пестициды, радионуклиды и другие. Основной особенностью этих работ явились огромные объемы атрибутивных баз данных, эффективно справиться с которыми позволили специализированные средства управления базами данных, имеющиеся в Foxpro.

. Статистическая обработка данных для определения степени влияния загрязнения окружающей среды на состояние здоровья населения Алтайского края. Обработка выполнялась с использованием оригинальных процедур статистической анализа, написанных на языках Foxpro, C, а также пакетов статистического анализа SAS, STATGRAF. Выбоp сpедства обработки определялся типом вешаемой задачи, количеством исследуемых данных и сложностью используемых методов. Для пpоведения "pазведочного анализа" данных, их пеpвоначального контpоля, выбоpа метода обpаботки удобно использовать пакеты программ, имеющие pазвитый пользовательский сеpвис и шиpокий спектр специальных алгоритмов анализа. Для однотипной обработки множества данных и пpедставления pезультатов в фоpме, пpигодной для дальнейшего использования, pазpабатывались специализированные пpогpаммы.

Указанными средствами проведен анализ детской и взрослой заболеваемости по населенным пунктам Алтайского края и республики Горный Алтай, взрослой заболеваемости по промышленным и агропромышленным предприятиям.

1.2 Комплексная среда Foxpro-Arc/Info, управление данными из Arc/Info

В этом режиме подготовленные в Foxpro данные используются в среде Arc/Info, в которой осуществляется совместная обработка атрибутивных и картографических данных, интерфейс с пользователем и визуализация информации. Данная технология используется в тех случаях, когда подавляющий объем функций обработки данных касается анализа их пространственных характеристик и пространственного отображения результатов (вычисление площадей, изолинейное картографирование и др.).

В качестве примера использования данной технологии можно привести реализованную задачу агроэкономического анализа территории Алтайского края. Для ее решения в среде Foxpro создана база данных для описания параметров оценки природного и экономического потенциалов аграрного природопользования административных районов и Алтайского края в целом. Эта база данных подсоединена к картографической базе данных Алтайского края. Осуществлено наложение карты ландшафтов на карту административных границ края. В зависимости от того, какой процент территории административного района занят теми или иными ландшафтными местностями, вычислены различные показатели для каждого района (например, потенциал пахотных и кормовых угодий, природный потенциал, совокупный агроэкономический потенциал и др.). Полученные картосхемы отражают распределение этих показателей для территории Алтайского края (см. рис.3).

Рис.3. Фондовый природный потенциал Алтайского края

1.3 Комплексная среда Foxpro-Arc/Info, управление данными из Foxpro

Этот режим симметричен предыдущему: картографические основы, подготовленные в среде Arc/Info, переводятся в специальный формат для системы Foxpro. Совместная обработка картографических и атрибутивных данных ведется в системе Foxpro. Данная технология используется в случаях преобладающей обработки больших объемов атрибутивных данных с использованием как простых, так и сложных математических методов манипулирования данными с табличной и картографической формами их представления.

В качестве иллюстрации приведем пример использования данной технологии при создании информационной системы оценки и прогноза экологического состояния и использования природных ресурсов Алтайского края (лесных, водных, земельных). Эта система разрабатывается для Алтайского краевого Комитета экологии и природных ресурсов. Она предназначена для обеспечения учета, анализа, оценки и прогноза экологического состояния исследуемых природных ресурсов применительно к районам, хозяйственным единицам Алтайского края и краю в целом. Система ориентирована на специалистов Комитета для информационной поддержки управленческих решений. В то же время она используется для проведения научных исследований по проблемам экологического состояния и изменения природных ресурсов и окружающей среды Алтайского края.

Установка этой системы на рабочих местах управленческих работников Комитета, не являющихся специалистами по компьютерной обработке данных и не оснащенных достаточно мощной вычислительной техникой, послужила существенным аргументом в пользу выбора в качестве основной инструментальной среды для ее разработки и эксплуатации СУБД Foxpro, имеющую богатый рынок доступных по цене программных продуктов и широкий круг пользователей. Реализуя на первых этапах как простые, так и достаточно сложные прикладные запросы при минимальных требованиях к аппаратным средствам и компьютерной подготовке пользователей, эта инструментальная среда может быть в будущем заменена на более мощную ГИС-оболочку (типа ArcView). Однако, по нашему мнению, этому должен предшествовать достаточно длительный период эксплуатации прикладной системы самими пользователями.

Суть используемого типа информационной технологии заключается в интеграции традиционных методик и средств обработки данных в среде Foxpro со средствами организации и отображения пространственных данных, имеющимися в инструментальных ГИС. Для этих целей в институте разработаны программные средства, обеспечивающие совместную обработку графических, картографических и атрибутивных данных [3]. Эти средства специализированы для прикладных программистов и представляют собой графическое расширение Foxpro. В их состав входит набор объектно-ориентированных процедур работы с пространственными данными: поиск объектов, графическое изображение объектов, фрагментирование изображения, многооконный интерфейс, система текстовых и пиктографических меню. Имея высокие потенциальные возможности пространственной обработки, эти средства позволяют с наименьшими ресурсными затратами создавать с учетом требований конечных пользователей удобную среду их взаимодействия с прикладной системой.

Технология разработки ГИС-приложений в этом случае выглядит следующим образом: подготовка картографических баз данных в среде Arc/Info, их конвертирование в текстовый формат с последующим преобразованием во внутренний формат названной графической системы, создание процедур совместной обработки картографических и атрибутивных данных в среде Foxpro.

Создаваемая для Алтайского краевого Комитета экологии и природных ресурсов ГИС "Природные ресурсы" строится в виде относительно независимых подсистем по каждому виду природных ресурсов (ГИС "Лесные ресурсы", ГИС "Водные ресурсы", ГИС "Земельные ресурсы) с последующей возможностью взаимодействия этих подсистем. Установленные в Комитете и действующие в настоящее время подсистемы по лесным и водным ресурсам отражают результаты первого этапа работ, ориентированного на накопление данных, их обобщение и отображение существующего состояния исследуемых природных объектов. Подсистема по земельным ресурсам находится в стадии разработки.

Основную нагрузку в создаваемой ГИС несет на себе база атрибутивных данных, разрабатываемая в системе Foxpro. База картографических данных создается в среде Arc/Info. Совместная обработка атрибутивных и картографических данных в системе осуществляется по описанной выше технологии с использованием оригинальных графических средств.

Предлагаем более подробное описание ГИС «Природные ресурсы». Система имеет следующий обобщенный состав:

Рис.4. Состав ГИС "Природные ресурсы"

База атрибутивных данных содержит по каждой подсистеме свой набор показателей, описывающих состояние исследуемых природных ресурсов и их элементов и определяемых исходя из целей и задач подсистем, а также информационной системы в целом.

База картографических данных предназначена для хранения комплекса базовых топографических карт (границ административного деления территории, природно-хозяйственных единиц, речных бассейнов, дорог, населенных пунктов и др.) и серии тематических карт, получаемых в результате решения различных функциональных задач с пространственным характером распределения информации.

Аналитический блок содержит в своем составе методики, алгоритмы и математические модели обработки, экспертизы, анализа временных и пространственно-распределенных данных об исследуемых природных ресурсах и территориях, решения комплекса прикладных задач в соответствии с функциями Комитета, а также решения различных фундаментальных научно-исследовательских проблем.

Пользовательский интерфейс обеспечивает предметный диалог с системой, позволяющий запрашивать необходимую информацию в удобном для использования виде, проигрывать сценарии прогноза состояния природных ресурсов, пространственно визуализировать результаты комплексного анализа территории.

Программные средства реализуют ГИС-технологии пространственной организации и визуализации данных, а также технологии обработки и анализа информации, основанные на использовании статистических методов, методов математического моделирования, экспертных оценок и др.

2. Геоинформационные системы

.1 ГИС "Лесные ресурсы"

Контроль за использованием, охраной, защитой лесов и растительных ресурсов края осуществляет отдел биологических ресурсов краевого Комитета экологии во взаимодействии с Управлением лесами края. Однако необходимая для этого информация, которая эпизодически поступает в Комитет экологии из Управления лесами, Управления межхозяйственных лесов, лесхозов, районных комитетов экологии и природных ресурсов и непосредственно от владельцев лесом, несистематизирована и явно недостаточна для проведения комплексной оценки состояния лесов. Кроме этого разбросанность информации по различным организациям и ведомствам крайне затрудняет сопоставимость отдельных показателей состояния лесов и их направленность для применения на краевом уровне в качестве инструмента управления природопользованием.

ГИС "Лесные ресурсы" призвана обеспечивать систематический сбор, хранение и обработку пространственно определенных данных о лесах на основе набора показателей, агрегированных для краевого уровня управления.

2.1.1 База атрибутиных данных

Из всей массы имеющегося информационного материала была выделена та ее часть, которая необходима и вполне достаточна для принятия решений на краевом уровне. Весь информационный поток был разделен на следующие основные группы показателей:

общая характеристика лесов,

лесопользование,

восстановление лесных ресурсов,

охрана леса,

защита леса.

Исходной территориальной единицей сбора информации по этим группам показателей были взяты лесхозы как основные территориально-производственные подразделения, обладающие всеми возможностями для выполнения лесохозяйственной деятельности, а значит и полным набором необходимой информации. Использование данных более мелкого дробления территории на лесничества, кварталы, выделы, во-первых, нецелесообразно для достижения поставленной цели, во-вторых, требует значительных затрат на реализацию полной схемы информационного обеспечения учета лесных ресурсов. Для решения задач управления Комитету предпочтительней иметь информацию по названным группам показателей на уровне административных районов края. Однако в данное время такая информация на уровне районов отсутствует и получить ее, опираясь на данные лесхозов, весьма трудоемко. Так как лесхозы территориально входят в районы в общем случае только своей частью, то выделить учетную информацию по каждой такой части можно лишь на основе данных по кварталам с введением в эксплуатацию автоматизированной системы кадастра лесных ресурсов. Поэтому на уровне административных районов был взят ограниченный набор агрегированных показателей, характеризующих как леса государственного лесного фонда, так и леса, не входящие в лесной фонд.