Информационные технологии в экологии и природопользовании - Александр Грачев

Особенностью представления данных в системах экологического мониторинга является то, что на экологических картах в значительной степени представлены ареальные геообъекты (например, области с одинаковой концентрацией загрязняющего вещества).

Сегодня предлагается целый ряд специализированных программ для профессиональной деятельности в области охраны окружающей среды, реализующих элементы технологии ГИС. Они могут предназначаться для оценки загрязнений и их последствий и привязки результатов к конкретной местности. Основой таких программ является математическая модель процесса (например, метод расчета загрязнения атмосферы, базирующийся на гидродинамической модели пограничных слоев атмосферы и методе Монте-Карло для оценки турбулентной диффузии примесей, на основе суперпозиции полей загрязнений возможен расчет суммарного загрязнения и риска токсических эффектов и т. п.). На основе данных об источнике загрязнения (геопространственная привязка, объем, скорость выброса и др.), климатических характеристик можно рассчитать поле загрязнения, и результаты будут визуализироваться с учетом пространственных данных. Применение стандартизованного метода расчета позволяет использовать полученные результаты для принятия управленческих решений.

Для крупных территориальных образований система экомониторинга на основе геоинформационных систем имеет сложную многоступенчатую структуру. Обычно ее можно разделить на два основных уровня.

Нижний уровень системы включает:

– федеральные, городские и ведомственные подсистемы специализированных мониторингов (мониторинг атмосферы, поверхностных вод, здоровья населения и т. п.);

– территориальные центры сбора и обработки данных.

Эти подсистемы обеспечивают сбор информации о состоянии окружающей среды и первичный анализ информации.

Верхний уровень системы экомониторинга составляет информационно-аналитический центр. В его задачи входят:

– оперативная оценка экологической ситуации в регионе;

– расчет интегральных оценок экологической ситуации;

– прогноз развития экологической ситуации;

– подготовка проектов управляющих воздействий и оценка последствий принимаемых решений.

Интеграция данных в единую систему происходит двумя путями: – на основе конвертирования форматов данных в единый для всей системы формат;

– на основе выбора единого программного обеспечения ГИС. Используемый программный комплекс, кроме стандартных для ГИС, должен выполнять следующие функции:

– формирование и ведение баз экологической информации по территориям, предприятиям, средам (воздух, вода, почва);

– ведение базы данных нормативно-законодательных документов в области экологии;

– ведение базы данных нормативов содержания загрязняющих веществ в воздухе, воде, почве и продуктах питания;

– ведение базы данных приборов экологического контроля.

4. Модели данных в ГИС

4.1 Общие принципы построения моделей данных в ГИС

ГИС использует разнообразные данные об объектах, характеристиках земной поверхности, информацию о формах и связях между объектами, различные описательные сведения. Используя приемы генерализации и абстракции, необходимо свести множество данных к конечному объему, легко поддающемуся анализу и управлению.

Абстракция – отвлечение в процессе познания от несущественных сторон, свойств, связей предмета или явления с целью выделения их существенных, закономерных признаков.

Генерализация – процесс отбора и обобщения содержания при составлении географических карт.

Генерализация проявляется:

– в отборе объектов (т. е. в ограничении содержания карты необходимыми объектами и в исключении прочих);

– в продуманном упрощении контуров;

– в обобщении количественных характеристик, состоящем в укрупнении ступеней;

– в обобщении качественных характеристик, состоящем в упрощении классификаций изображаемых явлений;

– в замене отдельных объектов их собирательными обозначениями.

В существующих ГИС используются различные способы для описания реальности посредством модели данных. Модель пространственных данных – способ цифрового описания пространственных объектов, тип структуры пространственных данных. Наиболее универсальные и употребительные из них: векторное (топологическое или нетопологическое) и растровое представление.

Каждая модель более пригодна для определенных типов данных и областей применения, поэтому при необходимости решения большого числа задач следует использовать совокупность разных моделей. Модель пространственных данных должна обладать следующими основными качествами: целостность, непротиворечивость и оптимальность.

4.2. Оверлейная структура

Цифровая карта может быть организована как множество слоев. Слои построены на основе объединения (типизации) пространственных объектов, имеющих общие свойства:

– принадлежность к одному типу координатных объектов (точечные, линейные, полигональные);

– принадлежность к одному типу пространственных объектов (жилые здания, подземные коммуникации, административные границы и т. д.);

– отображение на карте одним цветом.

Принадлежность объекта или части объекта к слою позволяет использовать и добавлять групповые свойства объектам данного слоя.

Слои могут иметь как векторные, так и растровые форматы. Однако многие ГИС допускают возможность работы со слоями только векторного типа, а растр используется в качестве подложки.

Рис. 1. Послойная структура электронной карты

С помощью системы фильтров или заданных параметров объекты, принадлежащие слою, могут быть одновременно масштабированы, перемещены, скопированы, записаны в базу данных.

Многослойная организация электронной карты при наличии гибкого механизма управления слоями позволяет не только объединить и отобразить большее количество информации, чем на обычной карте, но существенно упростить анализ картографических данных с помощью селекции данных, необходимых для визуализации и механизма «прозрачности» цифровой карты.

Рис. 2. Различные виды выборок

Над объектами, расположенными на разных слоях, можно проводить оверлейные операции. Оверлейными операциями называется процесс генерации новых и изменения существующих объектов путем наложения (совмещения) различных цифровых карт, содержащих разнотипные объекты, при этом созданные или модифицированные объекты могут иметь информацию, являющуюся производной от информации исходных объектов. Например, если имеются два полигональных объекта, которые частично пересекаются, то над ними могут быть осуществлены операции объединения, пересечения и т. п.

Рис. 3. Оверлейные операции

4.3. Базовые типы пространственных объектов

Объектом информационного моделирования в ГИС является пространственный объект. Это одно из ключевых понятий геоинформатики. Он может быть определен как цифровое представление (модель) объекта реальности (местности), содержащее его местоуказание и набор свойств (характеристик, атрибутов).

Базовыми (элементарными) типами пространственных объектов, которыми оперируют современные ГИС, обычно считаются следующие (в скобках приведены их синонимы):

– точка (точечный объект) – 0-мерный объект, характеризуемый плановыми координатами;

– линия (линейный объект, полилиния) – 1-мерный объект, образованный последовательностью не менее двух точек с известными плановыми координатами (линейными сегментами или дугами);

– полигон (область, контур) – 2-мерный (площадной) объект, внутренняя область, ограниченная замкнутой последовательностью линий (дуг в векторных топологических моделях данных или сегментов в нетопологической модели) и идентифицируемая внутренней меткой;

– пиксел (пиксель) – 2-мерный объект, наименьший элемент, получаемый в результате дискретизации изображения (разбиения на далее неделимые элементы растра);

– ячейка (регулярная ячейка) – 2-мерный объект, элемент разбиения земной поверхности линиями регулярной сети;

Общее цифровое описание пространственного объекта включает:

– наименование;

– указание местоположения;

– набор свойств;

– отношения с иными объектами.

Наименованием объекта служит его географическое наименование, его условный код и/или идентификатор, присваиваемый пользователем или назначаемый системой.

В зависимости от типа объекта его местоположение определяется парой (триплетом) координат (для точечного объекта) или набором координат, организованным определенным образом в рамках некоторой модели данных. Перечень свойств соответствует атрибутам объекта, качественным и количественным его характеристикам. Атрибуту объекта могут быть поставлены в соответствие любые типы данных: текст, видео- или аудиозапись, графика (включая карту), что реализуется на практике в мультимедийных электронных атласах.