Геоинформационные системы в охране окружающей среды

Содержание Введение

1. Роль и место ГИС в природоохранных мероприятиях

1.1 Деградация среды обитания

1.2 Загрязнение

1.3 Охраняемые территории

1.4 Неохраняемые территории

1.5 Восстановление среды обитания

1.6 Мониторинг

2. Комплексная оценка окружающей природной среды

2.1 Базовые основы системы комплексной оценки окружающей природной среды

2.2 Функциональные возможности системы

2.3 Методы получения комплексной оценки

3. Использование ГИС-технологий для решения проблем охраны окружающей среды в нефтегазовой отрасли Заключение Литература геоинформационный карта нефтегазовый мониторинг Введение Во всем мире проблемам охраны окружающей среды сейчас уделяется повышенное внимание. И это не удивительно. Бурное развитие хозяйственной деятельности людей создало все предпосылки реальной возможности экологического кризиса. В этой связи большое значение приобретает направление, связанное с количественной оценкой антропогенных воздействий на окружающую среду, созданием систем комплексной оценки состояния экологической обстановки, а также моделированием и прогнозированием развития ситуации. Создание подобных систем в настоящее время невозможно без использования современных компьютерных инструментов. Одним из важных инструментов являются ГИС-технологии.

Оценка состояния сложных природных объектов в окружающей среде подразумевает всесторонний анализ воздействия различных факторов. Получение комплексных оценок затруднено многообразием характеристик объекта, разнотипностью доступной информации, что повышает актуальность задачи обеспечения метрологической сопоставимости разнородных данных.

1. Роль и место ГИС в природоохранных мероприятиях

1.1 Деградация среды обитания ГИС с успехом используется для создания карт основных параметров окружающей среды. В дальнейшем, при получении новых данных, эти карты используются для выявления масштабов и темпов деградации флоры и фауны. При вводе данных дистанционных, в частности спутниковых, и обычных полевых наблюдений с их помощью можно осуществлять мониторинг местных и широкомасштабных антропогенных воздействий. Данные об антропогенных нагрузках целесообразно наложить на карты зонирования территории с выделенными областями, представляющими особый интерес с природоохранной точки зрения, например парками, заповедниками и заказниками. Оценку состояния и темпов деградации природной среды можно проводить и по выделенным на всех слоях карты тестовым участкам.

1.2 Загрязнение С помощью ГИС удобно моделировать влияние и распространение загрязнения от точечных и неточечных (пространственных) источников на местности, в атмосфере и по гидрологической сети. Результаты модельных расчетов можно наложить на природные карты, например карты растительности, или же на карты жилых массивов в данном районе. В результате можно оперативно оценить ближайшие и будущие последствия таких экстремальных ситуаций, как разлив нефти и других вредных веществ, а также влияние постоянно действующих точечных и площадных загрязнителей.

1.3 Охраняемые территории Еще одна распространенная сфера применения ГИС — сбор и управление данными по охраняемым территориям, таким как заказники, заповедники и национальные парки. В пределах охраняемых районов можно проводить полноценный пространственный мониторинг растительных сообществ ценных и редких видов животных, определять влияние антропогенных вмешательств, таких как туризм, прокладка дорог или ЛЭП, планировать и доводить до реализации природоохранные мероприятия. Возможно выполнение и многопользовательских задач, таких как регулирование выпаса скота и прогнозирование продуктивности земельных угодий. Такие задачи ГИС решает на научной основе, то есть выбираются решения, обеспечивающие минимальный уровень воздействия на дикую природу, сохранение на требуемом уровне чистоты воздуха, водных объектов и почв, особенно в часто посещаемых туристами районах.

1.4 Неохраняемые территории Региональные и местные руководящие структуры широко применяют возможности ГИС для получения оптимальных решений проблем, связанных с распределением и контролируемым использованием земельных ресурсов, улаживанием конфликтных ситуаций между владельцем и арендаторами земель. Полезным и зачастую необходимым бывает сравнение текущих границ участков землепользования с зонированием земель и перспективными планами их использования. ГИС обеспечивает также возможность сопоставления границ землепользования с требованиями дикой природы. Например, в ряде случаев бывает необходимым зарезервировать коридоры миграции диких животных через освоенные территории между заповедниками или национальными парками. Постоянный сбор и обновление данных о границах землепользования может оказать большую помощь при разработке природоохранных, в том числе административных и законодательных мер, отслеживать их исполнение, своевременно вносить изменения и дополнения в имеющиеся законы и постановления на основе базовых научных экологических принципов и концепций.

1.5 Восстановление среды обитания ГИС является эффективным средством для изучения среды обитания в целом, отдельных видов растительного и животного мира в пространственном и временном аспектах. Если установлены конкретные параметры окружающей среды, необходимые, например, для существования какого-либо вида животных, включая наличие пастбищ и мест для размножения, соответствующие типы и запасы кормовых ресурсов, источники воды, требования к чистоте природной среды, то ГИС поможет быстро подыскать районы с подходящей комбинацией параметров, в пределах которых условия существования или восстановления численности данного вида будут близки к оптимальным. На стадии адаптации переселенного вида к новой местности ГИС эффективна для мониторинга ближайших и отдаленных последствий предпринятых мероприятий, оценки их успешности, выявления проблем и поиска путей по их преодолению.

1.6 Мониторинг По мере расширения и углубления природоохранных мероприятий одной из основных сфер применения ГИС становится слежение за последствиями предпринимаемых действий на локальном и региональном уровнях. Источниками обновляемой информации могут быть результаты наземных съемок или дистанционных наблюдений с воздушного транспорта и из космоса. Использование ГИС эффективно и для мониторинга условий жизнедеятельности местных и привнесенных видов, выявления причинно-следственных цепочек и взаимосвязей, оценки благоприятных и неблагоприятных последствий предпринимаемых природоохранных мероприятий на экосистему в целом и отдельные ее компоненты, принятия оперативных решений по их корректировке в зависимости от меняющихся внешних условий.

2. Комплексная оценка окружающей природной среды

2.1 Базовые основы системы комплексной оценки окружающей природной среды Геоинформационная система комплексной оценки, моделирования и прогнозирования состояния окружающей природной среды (ОПС)а базируется на топографической основе с единой системой координат, на базах данных, имеющих единую организацию и структуру и являющихся хранилищем всей информации об анализируемых объектах, на наборе программных модулей для получения оценок по ранее разработанным алгоритмам. Система позволяет:

· осуществлять сбор, классификацию и упорядочивание экологической информации;

· исследовать динамику изменения состояния экосистемы в пространстве и во времени;

· по результатам анализа строить тематические карты;

· моделировать природные процессы в различных средах;

· оценивать ситуацию и прогнозировать развитие экологической обстановки.

Часть работ велась совместно с Невско-Ладожским бассейновым водным управлением, зона действия которого распространяется на Северо-Западный регион и включает Санкт-Петербург и Ленинградскую область, Новгородскую и Псковскую области, республику Карелия и Калининградскую область. Соответственно, вся информация собрана и систематизирована для этого региона. Топографическая основа системы комплексной оценки служит для визуализации результатов исследований и пространственного анализа (рис. 1).

Рис. 1. Топооснова системы комплексной оценки.

Основной информационной единицей топоосновы являются листы цифровых карт масштаба 1:200 000. Топографическая основа представляет собой набор структурированных в виде отдельных слоев данных о местности: реки, озера, дороги, леса, посты контроля и т. д.

База данных системы комплексной оценки включает:

· базу результатов контрольных измерений;

· базу характеристик природных объектов;

· базу характеристик источников загрязнения;

· нормативную базу.

База контрольных измерений является основой системы мониторинга состояния окружающей среды, позволяющей оперативно оценивать экологическую ситуацию в заданном районе и представлять ее на карте.

Система позволяет исследовать динамику загрязнения в пространстве и во времени, в том числе:

· проводить анализ в заданной точке для выбранных показателей по датам наблюдений (временной анализ);

· получать нормированные оценки;

· формировать усредненные оценки по заданному показателю по перечню контрольных постов (пространственный анализ) и строить тематические карты (рис. 2);

· рассчитывать интегральные оценки.

Рис. 2. Пространственный анализ состояния водного объекта.

2.2 Функциональные возможности системы Единая база природных объектов и источников загрязнения обеспечивает возможность моделирования распространения вредных веществ в воздушной и водной средах с целью исследования сложившейся обстановки и выработки рекомендаций по ликвидации последствий кризисных ситуаций и по рациональному природопользованию. Модели распространения загрязняющих веществ в воде и в воздухе учитывают технологические характеристики предприятий (экологический паспорт), географическое местоположение, метеорологические условия.

Реализована модель распространения примеси в воздухе, основанная на методике ГГО, называемая ОНД-86. Результатом работы модели является поле концентраций, представленное в виде слоя ГИС (рис. 3).

Рис. 3. Моделирование распространения примеси в воздухе.

Для водотоков реализована модель конвективно-диффузионного переноса загрязняющих веществ. Моделирование распространения загрязняющих веществ осуществляется от группы водовыпусков в пределах участка или целого водного бассейна с учетом их специфики (рис. 4). Рассчитывается предельно допустимый сброс сточных вод в водные объекты. Результатом работы модели также является поле концентраций, импортируемое в ГИС.

Рис. 4. Моделирование распространения примеси в водотоке.

Комплексная оценка состояния сложных природных объектов строится на основе результатов контроля характеристик в различных средах (измерений уровня радиации, концентрации примеси вредных веществ, площади загрязнения и др.), результатов обследований и экспертизы, а также результатов моделирования различных ситуаций техногенного или природного происхождения. Это повышает актуальность задачи объединения количественных и качественных характеристик, соблюдения требований единства измерений.

2.3 Методы получения комплексной оценки В созданной системе решена задача объединения разнородных данных для получения комплексных оценок состояния объектов окружающей природной среды на единой метрологической основе. Разработаны методы построения нормированных шкал с целью объединения различных оценок, учитывающие характеристики достоверности и степени участия каждого фактора. За нормированную шкалу принята шкала с равными отрезками и условными отношениями: 0−1 — значительно ниже нормы (ЗНН); 1−2 — ниже нормы (НН); 2−3 — норма (Н); 3−4 — выше нормы (ВН); 4−5 — значительно выше нормы (ЗВН).

Для оценки качеств результатов контрольных измерений используется нормирование относительно предельно допустимой концентрации (ПДК). Плоскость соответствия нормированных значений контрольных измерений и качественных оценок изображена на рис. 5.

Рис. 5. Плоскость соответствия нормированных значений и качественных оценок.

Каждый результат измерений представляет собой случайную величину, истинное значение которой находится в интервале x*=x'± ks. В этом случае принятие того или иного значения контролируемой величины на нормированной шкале качественных отношений может быть определено как вероятность нахождения значения измеряемой величины в соответствующем интервале значений концентраций. Вероятность принятия того или иного значения качества может быть определена как:

Выбор граничных значений (C_i) зависит от класса опасности вещества и региона обследования, что объясняется конкретной экологической обстановкой и существующей нормативной базой.

В случае, когда для оценки отдельных объектов ОПС используются сложные характеристики, значение некоторого обобщенного показателя определяет качественное значение контролируемой характеристики. Сложность состоит в том, что качественные шкалы для разных сред и методик различны. В этом случае задача нормирования сложных оценок сводится к приведению таких шкал к нормированной.

В программной системе реализованы алгоритмы получения качественных оценок по результатам контрольных измерений, учитывающие существующие стандартные методики для воздушной и водной сред (рис. 6). Осуществлено приведение различных качественных шкал к нормированной.

Рис. 6. Оценка состояния водной среды.

В силу малочисленности данных химического анализа часто, наряду с результатами контрольных измерений, используются результаты обследований, опросов и экспертных оценок. В программной системе создан модуль, реализующий получение и обработку экспертных оценок.

При обработке результатов обследований значение каждой величины, также как результаты контрольных измерений, определяет степень загрязненности объекта и может быть связано с нормированными характеристиками объекта. Результаты обработки экспертных оценок суммируются в нормированной шкале. При этом оценка, соответствующая каждому признаку, должна быть приведена к нормированной характеристике a р_k=1. Результаты имеют географическую привязку и могут быть нанесены на карту (рис. 7).

Рис. 7. Экспертные оценки.

Комплексная оценка состояния объектов ОПС получается в результате объединения данных разного типа (результатов контрольных измерений в разных средах, результатов моделирования, обследования и экспертных оценок). При этом задача объединения превращается в задачу суммирования характеристик различных оценок в нормированной качественной шкале.

Следует учитывать, что если комплексная оценка определяется на основе объединения большого числа оценок, имеющих различное распределение в нормированной шкале, то в результате объединения таких оценок велика вероятность получить равномерное распределение, при котором невозможно вынести суждение о качественной оценке состояния объекта.

В связи с этим предлагается использовать следующий метод объединения однотипных оценок. Для каждой группы оценок, собранных, например, по средам (воздух, вода, почва) или по виду их получения (контрольные измерения, экспертные оценки, результаты моделирования) следует производить сортировку в соответствии с максимальным значением каждого качества и выбирать наиболее критичные оценки. При этом, в зависимости от поставленной задачи, алгоритм выбора критических оценок также может быть различным. Например, для оценки аварийной ситуации следует выбирать показатели, у которых максимум оценки принимает значение ЗВН (значительно выше нормы), для обычных условий следует выбирать показатели, имеющие максимум в диапазоне от Н (норма) до ЗВН.

Сложные оценки состояния объектов окружающей природной среды могут быть получены путем объединения разнотипных данных, например, результатов контрольных измерений и визуального обследования прибрежной территории. При формировании таких оценок необходимо учитывать важность каждой используемой характеристики.

Такие оценки представляют собой комплексную характеристику, полученную путем суммирования простых оценок с учетом их свойств в пределах групп воздействия, то есть:

где: * - оператор суммирования, x_i^* — простая оценка, входящая в множество важных характеристик I_s, p_дi — оценка степени доверия и g_уi — оценка степени участия x_i^*.

Степень доверия характеризует надежность используемой оценки и зависит от способа ее получения. Степень участия определяет вес используемой характеристики при формировании сложной оценки качества объекта экосистемы. Использование коэффициента участия исключает возможность получения равновероятной характеристики результата в случае суммирования большого числа характеристик и позволяет эксперту получать различные оценки в зависимости от поставленной задачи.

Комплексная оценка состояния объектов ОПС представляет собой характеристику, полученную путем суммирования простых и сложных оценок с учетом их свойств где: * - оператор суммирования, x_i^* — простая оценка, входящая в множество важных характеристик I₀, S_i^* — сложная оценка, полученная на основании использования стандартных методик объединения однотипных данных или согласно формуле (2) для данных разного типа.

Информационная среда получения комплексной оценки обеспечивает объединение и использование распределенной информации, а ГИС технология — ее обработку в соответствии с географической или административной привязкой (рис. 8).

Рис. 8. Информационная среда получения комплексной оценки.

Для формирования сложных оценок на основании однотипных данных выбирается соответствующий слой (с необходимым районом и параметрами) и осуществляется обработка данных в соответствии со стандартными методиками. В случае, когда сложная оценка получается при суммировании данных разного типа, формируется проект из нескольких слоев. Каждому слою назначается коэффициент участия и формируются сложные оценки. Получаемые сложные оценки также являются слоем ГИС. Путем формирования проектов из простых и сложных оценок, а также результатов моделирования, могут быть получены оценки по средам (воздух, вода, почва и т. д.), которые также являются слоями ГИС. Объединив в единый проект оценки по средам, мы получим комплексную оценку состояния объекта на основании разнородных данных.

3. Использование ГИС-технологий для решения проблем охраны окружающей среды в нефтегазовой отрасли Осознавая потенциальную экологическую опасность предприятий нефтегазового комплекса, в частности российские нефтяные компании провозгласили в качестве одного из приоритетов сохранение экологического равновесия в зонах деятельности своих предприятий. Однако для реального улучшения экологического состояния на территории деятельности нефтегазового комплекса (НГК) требуются громадные инвестиции в технологический комплекс нефтедобычи, в первую очередь, для внедрения природоохранных технологий. В связи с этим для оптимизации экономических затрат предприятий НГК могут быть успешно применены современные средства геоинформационных технологий. Ниже излагается опыт, накопленный в Томском научном центре СО РАН в разработке и использовании ГИС для компьютерного выбора экологически приемлемых природоохранных технологий на основе анализа состояния окружающей среды.

Разработанная ГИС включает следующие компоненты:

· база данных об экологическом состоянии,

· база данных о природоохранных технологиях,

· комплекс программных средств анализа состояния территории и выбора природоохранных технологий.

Задача комплексного анализа состояния окружающей природной среды и выбора на основе этого анализа природоохранных технологий направлена на достижение нормативного качества природной среды. Программный комплекс анализа состояния окружающей среды позволяет выявлять территориальные зоны загрязнения и прогнозировать динамику изменения границ этих зон на основе анализа сценариев экономического развития предприятий. Результаты расчетов зон загрязнения воздуха наглядно иллюстрируются на компьютерных картах (рис.9) с помощью средств ГИС. При этом для расчета величин приземной концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе, содержащихся в выбросах предприятий, использована известная методика ОНД-86. Расчет производится для наиболее неблагоприятных метеорологических условий. Исходными данными для прогноза загрязнения атмосферы и определения зон повышенного загрязнения служили экологические паспорта предприятий и другие информационные материалы природоохранных органов.

Рис. 9. Прогноз увеличения площади зоны загрязнения воздуха от сжигания попутного газа в факелах с ростом объемов добычи.

Разработанные средства ГИС — технологий позволяют достигать нормативного качества природной среды на территории деятельности нефтегазового комплекса с помощью моделирования изменений в ее состоянии за счет применения современных природоохранных технологий, выбираемых из базы данных ГИС. Следовательно, применение ГИС-технологий позволяет выбирать экологически приемлемые и экономически целесообразные природоохранные технологии на основе комплексного анализа загрязнения воды, воздуха и почвы. Ниже (рис.10) приведен пример компьютерного моделирования, который иллюстрирует возможность выбора из базы данных ГИС подходящих технологий очистки сточных вод с целью улучшения качества речной воды на территории нефтяных месторождений.

Рис. 10. Исходное состояние загрязнения рек на территории нефтяных месторождений сбросами сточных вод.

Перспективы расширенного применения ГИСтехнологий для решения комплексных проблем охраны окружающей среды в нефтегазовой отрасли связаны с развитием предлагаемого подхода к улучшению экологического состояния территории на основе использования аэрокосмической информации.

Заключение

Таким образом можно смело утверждать, что ГИС имеет определенные характеристики, которые с полным правом позволяют считать эту технологию основной для целей обработки и управления информацией. С появлением ГИС возможность решения такой задачи как анализ дистанционных данных для их полноценного использования в повседневной жизни, стала реальностью, так как эта технология позволяет собрать воедино и проанализировать различную, на первый взгляд мало связанную между собой информацию, получить основанный на массовом фактическом материале обобщенный взгляд на него, количественно и качественно проанализировать взаимные связи между характеризующими его параметрами и происходящими в нем процессами. ГИС с успехом используется для наблюдения состояния окружающей среды, а также для создания карт основных параметров окружающей среды.

Разработанная на базе ArcGIS ArcInfo 9.1 геоинформационная система комплексной оценки, моделирования и прогнозирования служит основой для построения многоуровневых информационно-измерительные систем (ИИС) и может быть использована при проектировании территорий и для принятия управляющих решений по охране окружающей среды и рациональному природопользованию.

Перспективы расширенного применения ГИС-технологий для решения комплексных проблем охраны окружающей среды в различных отраслях связаны с развитием предлагаемого подхода к улучшению экологического состояния территории на основе использования информации полученной с помощью современных технологий, в частности с помощью аэрокосмической информации.

1. Алексеев В. В., Куракина Н. И. ИИС мониторинга. Вопросы комплексной оценки состояния ОПС на базе ГИС // журнал ГИС-Обозрение.-2000.-№ 19.

2. Алексеев В. В., Гридина Е. Г., Кулагин В. П., Куракина Н. И. Оценка качества сложных объектов на базе ГИС // Сборник трудов Международного симпозиума «Надежность и качество 2003». — Пенза 2003.

3. Алексеев В. В., Куракина Н. И., Желтов Е. В. Система моделирования распространения загрязняющих веществ и оценки экологической ситуации на базе ГИС // журнал «Информационные технологии моделирования и управления», № 5(23), Воронеж, 2005.

4. Алексеев В. В., Куракина Н. И., Орлова Н. В., Геоинформационная система мониторинга водных объектов и нормирования экологической нагрузки // журнал ArcReview.-2006.-№ 1(36).

5. Алексеев В. В., Гридина Е. Г., Куракина Н. И. Вопросы обеспечения единства измерений при формировании комплексных оценок // Сборник трудов Международного симпозиума «Надежность и качество 2005». — Пенза 2005.

6. Издание Дата+ ArcReview. — http://www.dataplus.ru.