Компьютерная технология построения комплексной модели геоэкологического состояния территории

Интенсивная разработка ресурсов недр — доминирующее в нашей стране направление природопользования — является источником серьезных негативных воздействий на окружающую среду осваиваемых регионов. Наиболее сильные изменения при этом испытывает геологическая среда. Она аккумулирует в себе основной объем загрязняющих веществ и механических нагрузок и передает его в остальные компоненты окружающей среды, таким образом во многом определяя общее экологическое состояние региона. Поэтому важным условием рационального недропользования является комплексная геоэкологическая оценка территории.

В задачу комплексной геоэкологической оценки территории входит анализ современного состояния геологической среды и прогноз возможных изменений в нем, провоцируемых антропогенной деятельностью. Очевидно, что получить строгое решение этой задачи, учитывающее весь комплекс взаимосвязей между природными и техногенными процессами на исследуемой территории, очень сложно — слишком широк спектр входящих в него переменных, и далеко не всегда известны математические функциональные зависимости, их связывающие. Сузить множество анализируемых параметров позволяет переход от реальной ситуации на исследуемой территории к ее геоэкологической модели — ограниченному набору факторов, определяющих свойства геологической среды и воздействия на нее и представляющих собой совокупность пространственных характеристик исследуемого участка поверхности Земли. В этом случае решение задачи может быть сведено к оценке интегральной картины проявления этих факторов с помощью районирования территории — разделения ее на области с определенным набором исходных факторов и ранжирования полученных объектов в зависимости от их значений. Интегральные аналитические карты, содержащие результаты районирования, являются обязательным этапом решения многих производственных задач (например, оценка эколого-геологических, геохимических условий, работы в рамках ОВОСа — оценки воздействия на окружающую среду при планировании объектов недропользования к освоению).

Научно-исследовательские работы в области геоэкологических исследований проводятся рядом ведущих институтов (ВСЕГИНГЕО, Гидроспецгеология, ИМГРЭ, МГУ, ВИЭМС, Аэрогеология, ВНИИгеосистем, и др.). В настоящее время хорошо проработана методология этого вопроса, созданы комплекты геоэкологических карт различной направленности и масштабов, опирающиеся на различные наборы оценочных критериев, приняты нормативные документы, содержащие методические рекомендации по проведению экологического картирования и регламентирующие состав основных анализируемых показателей.

Однако в технологической реализации этих задач до сих пор остаются определенные проблемы. Чисто информационный подход к геоэкологической модели как к набору карт на исследуемую территорию, используемый в настоящее время, не позволяет полностью учесть авторские модельные представления об анализируемой ситуации. Недостаточно проработанными остаются вопросы количественного описания исследуемых факторов и математический аппарат для их обработки. Стандартные геоинформационные системы, используемые в качестве программно-аналитического обеспечения исследовательских и производственных проектов, несмотря на широкий круг функциональных возможностей, требуют дополнительной адаптации к особенностям геоэкологических задач.

Актуальность проблемы, огромный объем информации по вышеперечисленным направлениям экологических исследований и высокий уровень современных информационных технологий, используемых в природопользовании, обуславливают необходимость создания единого методического подхода к формированию комплексной модели геоэкологического состояния территории и разработки новых технологических средств, обеспечивающих ее автоматизированное построение и компьютерный анализ входящих в нее факторов на основе алгоритмов многокритериального районирования.

Целью работы является разработка компьютерной геоинформационной технологии построения комплексной геоэкологической модели территории в задачах оценки и прогноза экологического состояния геологической среды.

Основные задачи исследований:

1. Провести обзор видов и особенностей представления геоэкологических данных, проанализировать существующие методические подходы к их обработке и определить место информационных технологий в их реализации.

2. Создать методику построения комплексной модели геоэкологического состояния территории на основе формализованного описания свойств геологической среды и воздействий на нее и их интегрирования методами многокритериального районирования.

3. Разработать технологию построения комплексной модели геоэкологического состояния территории и выполнить ее программную реализацию (алгоритмы обработки данных и пользовательский интерфейс).

4. Апробировать методику и программно-технологическое обеспечение на примере решения задач комплексной оценки геоэкологического состояния территорий, находящихся под интенсивным давлением горнодобывающего комплекса.

Научная новизна полученных результатов состоит в том, что.

1. Впервые предложена обобщенная методика компьютерного построения комплексной геоэкологической модели территории на различных масштабных уровнях и для различных природных условий, основанная на типизации целевых функций, выделении основных групп факторов, их формализации и интегрировании методами многокритериального районирования.

2. Реализован экспертно-аналитический подход к анализу и интегрированию геоинформации, позволяющий автоматизировать процесс построения комплексной модели геоэкологического состояния территории в рамках компьютерной технологии.

3. Созданный единый пользовательский интерфейс, сопряженный с геоинформационной средой, обеспечивает построение иерархического дерева факторов модели, оценку значимости факторов и интервалов их значений, расчет формальных характеристик на основе векторных и растровых данных, проведение их интегральной оценки.

Практическая значимость проведенных исследований состоит в разработке программно-технологических средств, обеспечивающих автоматизацию построения геоэкологической модели исследуемой территории и проведение на ее основе районирования по комплексу природных и техногенных факторов, формулировании методических рекомендаций по применению этого подхода в задачах оценки экологических ситуаций и изучении состояния геологической среды на территориях с интенсивным развитием горнодобывающего комплекса.

Выполненные методические и программно-технологические разработки легли в основу проведения следующих научно-исследовательских проектов: создание комплекта электронных карт геоэкологических условий освоения минерально-сырьевой базы России, оценка геоэкологического состояния нефтегазоносных территорий (Ханты-Мансийский АО), разработка экологической модели острова Лонг-Айланд в рамках создания системы мониторинга состояния окружающей среды северо-восточного побережья США, построение геоэкологической модели при оценке состояния природных экосистем Пангодинской группы поднятий (Надым-Пурское междуречье).

Защищаемые положения:

1. Предлагаемая методика реализует все основные этапы формирования экспертной геоэкологической модели исследуемой территории и проведения на ее основе районирования по комплексу природных и техногенных факторов.

2. Разработанные с учетом специфики экологической информации программно-аналитические средства и пользовательский интерфейс, ориентированный на специалиста-предметника, обеспечивают построение комплексной модели геоэкологического состояния территории.

3. Разработанная компьютерная геоинформационная технология, обеспечивающая формализацию экспертных представлений об анализируемой территории и проведение многокритериального районирования, повышает эффективность оценки экологического состояния геологической среды.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержит 109 страниц машинописного текста, 46 иллюстраций.

Список литературы

включает 75 наименований.

Заключение

.

Комплекс проведенных научных исследований позволил обобщить существующие способы описания геоэкологического состояния территорий, используемые при решении задач природопользования и, в частности, освоения недр, в рамках единого методического подхода. В его основу положено формирование геоэкологической модели на основе типизации и формализации факторов, отражающих свойства геологической среды и воздействия на нее, и многокритериального районирования территории по комплексу пространственных характеристик.

На примере решения задачи комплексной оценки геоэкологической ситуации в регионах, находящихся под интенсивным воздействием горнопромышленного комплекса, разработана методика построения геоэкологической модели территории. При этом выделены основные масштабные уровни и задачи исследований, определены целевые установки для районирования и группы факторов, определяющих свойства геологической среды и комплекс природных и техногенных воздействий на нее в различных регионах России. Выделены основные способы формального описания природных и техногенных факторов с помощью набора количественных характеристик и качественных оценок, сформулированы способы их интегральной оценки для различных предметных постановок задачи районирования.

На базе предложенного методического подхода разработана компьютерная технология создания комплексной модели геоэкологического состояния территории, обеспечивающая: компьютерное представление экспертной модели геоэкологического состояния территории, включающее иерархическую структуру анализируемых групп факторов, их веса, а также систему оценочных градацийрасчет формальных характеристик проявления выбранных факторов в каждой ячейке территории в номинальной, количественной или ранговой шкалахинтегральную оценку вклада всех факторов, отражающую геоэкологическое состояние территории в соответствии с модельными представлениями исследователя.

Выполнена программная реализация разработанной технологии в виде интерфейсного модуля, сопряженного с ГИС-средой Разработаны необходимые аналитические и интерфейсные функции, обеспечивающие формирование и хранение структуры модели, задание весовых параметров и динамическую связь с ГИС. Стандартные возможности пространственного анализа ГИС-оболочки расширены дополнительными функциями для расчета формальных характеристик факторов модели и алгоритмами многокритериального районирования территории. Интерфейс пользователя ориентирован на специалиста-предметника и адаптирован к особенностям представления геоэкологических данных.

Проведена апробация разработанной методики и программно-технологических средств в рамках научно-исследовательских проектов совместно с ведущими научно-производственными организациями в области экологии недропользования. Созданные по материалам этих проектов информационно-аналитические системы могут служить реальным инструментом для информационной поддержки экологически обоснованного управления природопользованием.