Роль Геоінформаційних систем (ГІС) у системах екологічного моніторингу

НаУКМА

Кафедра екології

Реферат з курсу

“Моніторинг навколишнього середовища”

на тему :

“Роль Геоінформаційних систем (ГІС)

у системах екологічного моніторингу .”

Написано студентом ФПН-3

Заклецьким Олександром

Викладач

Доц. Кафедри екології

Боголюбов Володимир Миколайович

Київ 1999 р.

План :

1. Що таке ГІС (визначення ).……………………………ст. 3

2. Короткий екскурс в історію …………………………...ст.3

3. Можливості ГІС ………………………………………..ст.5

4. Реалізація ГІС проектів ( приклади )………………….ст.7

5. Майбутнє ГІС …………………………………………..ст.8

6. Висновки ………………………………………………..ст.9

7. Список літератури ……………………………………..ст.10

Геоінформаційна система або скорочено ГІС є похідною баз данних , а скоріше системи керування базами даних ( СКБД ) , але з розширеною концепцією яка дозволяє працювати з просторово – розподіленою інформацією та вирішувати задачі , що пов’язані з просторовим аналізом .

Інакше кажучи :ГІС – це система апаратно програмних засобів та алгоритмічних процедур , що зроблена для цифрової підтримки , поповнення , маніпулювання , аналізу , математико-картографічного моделювання та образного відображення темпорально—географічно координованих даних .

Звідси виникає питання : що таке геграфічно координовані дані ?

· Географічна широта та довгота ;

· Прямокутні координати X та Y ;

· Поштові адреси ;

· Поштові індекси та інші коди , що ідентифікують попередньо розмежовані участки території ;

· Місцеположення , зафіксоване на карті ;

Гіс будь якої складності та будь-якого рівня в загальному випадку уяаляє з себе наступний набір функціональних компонент : підсистем збору інформації , база данних (БД) ; підсистема представлення , генерації та обробки картографічних даних ; підсистема аналізу даних та інтерфейс користувача .

Тепер давайте подивимось на історію ГІС щоб побачити з чого все починалося і чому сформувалося саме так .

Одна з найбільш цікавих рис раннього розвитку ГІС , особливо у 60-ті роки , полягає в тому що перщі ініціативні проекти та дослідження були ГЕОГРАФІЧНО РОЗДІЛЕНІ по багтьом місцям , причому ці роботи виконувалися незалежно , часто без згадування , а іноді з ігноруванням собі подібних робіт .

Передувало виникненню ,та бурному розвитку ГІС богатійший опит топографічного та , особливо тематичного картогорафування , вдилими спробами автоматизувати картографування , революційними досягненнями у області комп’ютерних технологій , інформатики та комп’ютерної графіки . Особливо тереба відмітити ідеї та опит комплексного тематичного картографування , що блискуче продемонстрували ефект системного використання різнохарактерних даних для отримання нових знань про географічні об’єкти . Саме комплексність та інтегрованість потім було закладено у саму концепцію ГІС .

Прешиа дійсно реальна ГІС народилася у Канаді ще у 60-х роках вона називалася Географічна Інформаційна Система Канади (Canada Geographic Information System – CGIS ) вона і до цих пір існує , поповнюється та розвивається . Батьком ГІС Канади вважається Роджер томлінсон (Roger Tomlinson) , під керівництвом котрого було зроблено багато цікавих концептуальних технологічних та програмних вирішень. Канадську ГІС було створена для Канадської Служби Земельного Обліку (Canada Land Inventory) мета створення – облік земель , отримання по ним статистичних даних для подальшого проектування землеустрою земельних площин переважно сільськогосподарського призначення . Вже тоді , в ній використовувалася інтегрована класифікація земель по сільськогосподарській , рекреаційній , екологічній , лісогосподарській властиврстям земель ; відображалася структура використання земель , що склалося , включаючи землекористувачів та землевласників . Таким чином вже можно розмовляти про систему спостережень та оцінки стану природного середовища .

Саме на канадському ГІС була вироблена технологія розмежування картографічної інформації по темах та розробка концептуального рішення о “таблицях атрібутивних даних” , що дозволило розділити файли плавної (геометричної) інформації та файли , що містили тематичну інформацію про ці об’єкти . Окрім того тоді було розроблено математичний аппарат для обрахування картометричних показників .

Не можно не розмовляючи про піонерний період розвитку ГІС не апригадати Гарвардську лабораторію комп’ютерної графіки та просторового аналізу ( Harvard Laboratory for Computer Graphics & Spatial Analysis) Массачусетського технологічного інституту , яку заснував Говард Фішер . Ця лабораторія розробила алгоритми що стали суттєвим кроком у алгоритмічному вдосконаленні ГІС . Саме ця лабораторія заклала традицію картографічного представлення інформації у сучасних ГІС . У 1969 році Джек Денджмонд організував Дослідницький інститут екологічних систем ESRI Inc. діяльність якого базувалася на методах , технологіях та ідеях , що були розроблені у Гарвардській лабораторії .

Ще одним серйозним кроком вперед було використання ГІС технологій про перепису населення у 1970 році у США , основною проблемою , що була тоді вирішена це методіка корректної геграфічної прив’язки даних перепису , тобто існувала необхідність конвертації адрес проживання населення , що були присутні в анкетах у географічні координати ; це було необхідно для того щоб результати перепису можно було б оформлювати у вигляді карт по теріторіальним ділянкам та зонам національного перепису . Що у свою чергу давало змогу аналізувати та прогнозувати антропогенне навантаження на довкілля у різних регіонах . В цьому проекті був вперше реалізован ТОПОЛОГІЧНИЙ підхід до организації керування геграфічною інформацією , що містив математичний спосіб опису просторових взаємозв’язків між об’єктами .

На початку 80-х років ESRI реалізувало славетний ARC/INFO . Він став першою ластівкою розширення ринку ГІС та розвитку настольних ГІС , бо міг працювати не на суперкомп’ютерах а на персональних комп’ютерах та робочих станціях . ARC/INFO , окрім того міг успішно працювати з форматми стандартної реляіційної СКБД .

Іншим успішним підприємством у галузі виробництва апаратно-програмних засобів для ГІС став Intergraph,Corp.

Гіс дає нам можливість накопичувати та аналізувати подробну інформацію , оперативно знаходити потрібну інформацію , та відображувати її у зручному для нас вигляді , використання ГІС дає можливість різко збільшити оперативність та якість роботи з просторово—розподіленою інформацією у порівнянні з традиційними паперовими методами ( і в цьому я бачу потрійний зиск : витрачається набагато меньше часу на роботу , використовується набагато меньше місця для зберігання інформації , [так , наприклад ГІС Комплексного територіального кадастру площею 3 тис. км , в котру ввійшли різноманітні матеріали по лісоустройству , геології , екології , іхтіології та ін. , в неї ввійшли 245 карт у масштабах від 1:10 000 до 1:200 000 , об’єм цієї бази данних був всього 100 Мб !!! . А тепер уявіть те ж саме тількі в паперовому варіанті …] окрім того економіться папір , а значить ліси – легені нашої планети … ) . Неможно не зазначити , що найефективнійшим методом екологічного моніторингу є використання дистанційних систем моніторингу – супутникові та аерофотозйомки у поєднанні з локальними системами моніторингу , а більш зручного інструменту для цього ніж ГІС людство покищо не винайшло .

Гіс використовується там , де потребуються оперативне керування ресурсами та швидке прийняття рішень . По деяким оцінкам 80-90% всієї інформації можно представити у вигляді ГІС . ГІС дає можливість накопичувати інформацію , видавати вам її у зручному для вас вигляді , та маніпулювати цими даними , що мають просторову прив’язку .

Уявити собі роботу з ГІС можно так : уявіть собі , що у вас є велика кількість прозорих плівок , на кожній з котрих позначені якісь тематичні об’єкти ( наприклад корисні копалини , річкова сітка , шляхи транспорту і т. д.) і ви компонуючи ці пластинки , так , як вам треба будете бачити тільки об’єкти що цікавлять вас . Але в такому разі комп’ютер сильно не потрібен , справа в тім , що ви можете не тільки продивлюватися об’єкти , що цікавлять вас , не тільки збільшувати та зменьшувати зображення , не тільки точно вимірювати ряд геометричних характеристик об’єктів ( длина вулиці , відстань між містами , площу лісового масиву ) , а й показавши на об’кт отримати інформацію про нього ( наприклад : обравши промислове підприємство , ви отримуєте інформацію о його профілі , характері забруднень , впливу на навколишнє середовище , а може й моніторингові данні за декілька років по цьому підприємству ) , ви можете використовувати ГІС як пошукову систему ( в цьому випадку ви робите запрос в якому перелічуєте всі властивості , що цікавлять вас [наприклад : заводи харчової промисловості , що були збудовані до 1986 року , щоб вони знаходилися не далі ніж на 5 км від Дніпра ] ; ГІС дозволяє проводити аналітичну обробку інформації , при чому як внутрішнього хаврактеру ( та що мічтиться в базах данних ) , так і зовнішнього ( аналіз супутникових знімків , їх дешифрування , виділення інформації та об’єктів що цікавять за допомогою потужного математичного апарату ) , а в більш складних ситуаціях – моделювання реальних подій ( наприклад : ви можете оперативно прогнозувати можливі місця розривів на трасі трубопроводу , відслідкувати шляхи розповсюдження забруднень та оцінити можливу шкоду природному середовищу , обчислити об’єм коштів , потрібних для ліквідації цієї аварії і , навіть підготувати дві платіжки : одну – для ліквідації шкоди , іншу – для ремонту трубопроводу [ якщо , звичайно ваш гіс зінтегрован з 1С:Предприятие -] ) ; найбільш складні технологічні рішення включають в себе експертну підтримку , тобто не просто є системою підтримки рішень , а дозволяють отримувати на виході обгрунтоване рішення ; ГІС дає можливість використовувати для введення інформації та її оновлення сучасні електронні засоби геодезії та системи глобального позиціювання ( GPS ) , тобто мати завжди точну та свіжу інформацію ( це озночає , що всі зміни в рельєфі досить швидко будуть передавтися на ваш комп’ютер , що дасть можливість з максимальним наближенням робити прогнози ) ; ГІС дозволяє заручитися високою компетенцією спеціалістів , що розробляли програмне забезпечення для ГІС систем ( для того щоб використовувати програми обрахунку поширення забруднеь не треба буде бути професором математики ) .

Реалізувати ГІС проект зараз не так вже і дорого як ранійше . В принципі все залежить від того на якому рівні ви це збираєтесь реалізовувати : аппаратура , , програмне забезпечення , вартість інформації та її якість , витрати на оплату роботи персоналу і т.д. Хоча , треба зазначити , що програмне забезпечення для ГІС можно взяти абсолютно безкоштовно в мережі ІНТЕРНЕТ ( наприклад ARC/INFO ) , інші програмні продукти теж коштують не дуже дорого . Для прикладу реалізації ГІС в плані витрат людських ресурсів візьмемо Кадастр природних ресурсів північного європейського регіону Росії про який я вже пригадував – площа території 3000 км2 , реалізували проект протягом 16 місяців , трудовитрати на роботу з інформацією склали 8,1 людино-рік , програмування 4,8 людино-роки , польові роботи 1 людино-рік ( ітого 13,9 людино-років ) ; ввійшло 245 карт масштаби 1:10000—1:200000 , обсяг інформації 100 Мб .

Ще одним цікавим прикладом реалізації ГІС став наш київський проект “екоГІС-КИЇВ” , який почав створюватися з кінця 1996 року . “екоГІС-КИЇВ” створений базі пакету ARCVIEW GIS , про який я вже згадував та пакету розрахунку забруднення приземного шару атмосфери “ЕОЛ 2000” української компанії “Софт Фонд” . В цьому ГІСі будуть охоплені такі сфери екологічного управління , як економіка , атмосферне повітря , водні ресурси , тверді відходи , біота . В рамках дослідження теми “Атмосферне повітря” виконується комплекс науково—практичних робіт спрямованих на створення “Реєстру стаціонарних джерел викидів в атмосферне повітря забруднюючих речовин” , який дозволить реалізувати підсистему обліку і разом з тим забезпечить необхідними інформаційними системами аналітичну підсистему оцінки забруднення атмосферного повітря . По прогнозам за 5 років цей реєстр буде охоплювати ніж 2000 об’єктів техногенного екологічного ризику , що мають більш ніж 200000 стаціонарних джерел викидів та 5 млн. складів викидів забруднюючих речовин . Поповнення БД буде відбуватися пакетним вводом ( імпортом ) з інших програмних пакетів . Цілісність БД підримується спеціальними довідковими словниками . За допомогою цього ГІСу спеціаліст-оператор може вирішувати цілий комплекс аналітичних задач , від оцінки та експертизи впливу окремого джерела викидів якогось підприємства до розробки зведеного проекту нормативно-допустимих викидів . Таким чином “екрГІС-КИЇВ” є не просто системою збору моніторингових досліджень , а й системою підтримки рішень , тобто перекидається за юрисдикцію моніторингу .

Тепер давайте спробуємо подивитись у майбутнє . Що буде далі у розвитку ГІСів . На данний момент ці системи розбиті та локальні , вони можуть досить богато : видати вам інформацію про об’єкт , що цікавить вас ; показати зміни деяких факторів у просторі та часі ; показати чи спргнозувати шляхи міграції речовин ; показати ландшафт під тим кутом , який вас цікавить у прямому та переносному значенні ; бути вашим радником у багтьох питаннях . Подальший розвиток ГІСів , на мою думку буде спрямований на самонавчання , самовдосконалення ( вбудова у ГІСи штучного інтелекту ) , розширення баз данних , глобалізацію та інтеграцію ГІСів . Інакше кажучи об’єднання всіх ГІСів у єдину систему завдяки мережі ІНТЕРНЕТ у планетарну ГІС систему .

Є звичайно проблема , що поки не дає реалізуватися глобалізації – справа в тім , що до цих пір не розроблена єдина система протоколів та форматів по обміну даними між ГІСами . Інформація , що накопичується дуже часто не може бути порівняна , різнорідна , та розмежована ; в деяких регіонах використовуються несертифіковані програмні засоби ; використовуються різні картографічні основи , які погано порівнюються між собою , багато інформації дублюється . На жаль в нашій країні ГІСи розвиваються слабо , так в Росії , ще у 1996 році об’єм заказів на ГІСи стрибнув за 1000000 $ і це при тому , що майже ніхто не платив за програмне забезпечення !

В Росії дуже багато ВУЗів займаються розробкою ГІСів ось список найбільш відомих ГІСів різних ВУЗів :Пущинскоий ЦНИТ (Пущинский госуниверситет), Петрозаводский РЦИ и Северный РЦ НИТ (Петрозаводский госуниверситет), Калининградский ОЦНИТ (Калининградский госуниверситет) та багато інших . Але я сподіваюсь на те , що в найближчому майбутньому наша країна теж почне бурно розвиватися в цьому напрямку , бо ринок ГІСів у нас майже не заповнений .

Застосування ГІС-технологій , як я сподіваюсь я довів вам , в практиці екологічного моніторингу та екологічного управління дає змогу дійсно по новому подивитись на проблему , комплексно її проаналізувати та зробити висококваліфіковані висновки та прогнози , попередити надзвичайні екологічні ситуації антропогенного походження . Приклади реалізації ГІС показує , що навіть “настільні” ГІС пакети сучасного рівня для РС комп’ютерів дозволяють оперувати значними обсягами інформаційних ресурсів та вирішувати складні аналітичні задачі . Впровадження цих систем на різних рівнях дозволить підняти рівень , оперативність та ефективність рішення задач у галузі керування якістю навколишнього середовища до світового рівня .

Список джерел :

1. “Україна з космосу” Київ-1997 .

2. С.В. Зорін , О.М. Картавцев , А.Д. Сенченко “Приклад створення інформаційно-аналітичної системи підтримки прийняття управлінських рішень у галузі охорони атмосферного повітря на базі ГІС-технологій” Еколого-медичне науково-виробниче підприємство “ЕКОМЕДСЕРВИС” .

3. http://cnit.pgu.srpukhov.su

4. http://www.karelia.ru

5. http://kstu.koenig.su

6. http://www.ispu.ivanovo.su

7. http://www.tversu.ac.ru

8. http://rcnit.cctpu.edu.ru

9. http://www.ru/educate.htm

10. http://www.rambler.ru/ пошук по слову “ГИС”