Принцип построения и опыт практической реализации экологических информационных систем - (курсовая)

• применения эффективных математических моделей для описания состояния объекта и прогнозирования его изменений;

• частичной замены длительных натурных исследований численным экспериментом; • создания автоматизированных рабочих мест специалистов геоэкологов, обеспечивающих решение задач в режиме диалога с ПЭВМ.

Разработка и функционирование АИПС ГЭМ базируется на непрерывном диагностическом анализе объекта, позволяющем выявлять наиболее актуальные задачи, определять последовательность их решения, постоянно совершенствовать средства обеспечения системы.

Разрабатываемая система должна учитывать основные особенности территории г. Сочи, как природно-технической системы, необходимые для решения поставленных задач и состоящие в следующем:

• большой объем постоянно хранимой информации о текущем и предшествующем состоянии геоэкологической среды;

    • сложная логическая структура информации о

геоэкологической среде, определяемая большим числом взаимоувязанных показателей;

• необходимость решения большого числа вариантов задач и обработки больших массивов информации;

• разнообразие способов и методов обработки и обобщения первичных данных. Разрабатываемая система должна быть открытой для дальнейшего развития и совместимой с другими автоматизированными системами.

6. 1. 3 МЕСТО АИПСГЭМВ СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ И ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ АИПС ГЭМ представляет собой организационно-техническую систему, включающую средства автоматизации и взаимодействующие с ним геоэкологические подразделения.

АИПС ГЭМ помимо решения внутренних задач Мингео России, может быть также эффективно использована при обосновании вариантов территориального планирования, проектирования и оперативного управления, осуществляемых сочинской администрацией, другими министерствами и ведомствами. Основными функциями этого подразделения являются:

• создание, пополнение и ведение информационной базы путем приема данных от других организаций и сбора их собственными силами;

• создание, развитие, ведение автоматизированной системы математических моделей геоэкологических процессов;

• информационное обеспечение решения задач территориального планирования геоэкологической средой;

• внедрение современных методов математического моделирования природных процессов и автоматизации обработки гидрогеологической и инженерно-геологической информации при проведении исследований. Работы должны выполняться в тесном контакте с другими геологическими, экологическими, научно-исследовательскими и проектно-изыскательскими организациями, ведущими изучение геоэкологическои среды и осуществляющими управление ее использованием.

    6. 2 ОБЩАЯ СТРУКТУРА

Структурными элементами АИПС ГЭМ г. Сочи являются подсистемы, выделяемые по функциональному признаку и обеспечивающие получение результатов решения задач и соответствующих документов.

В составе АИПС ГЭМ выделяются три основных подсистемы (Рисунок 1): • автоматизированный банк данных “Геобанк”;

    • подсистема информационного обслуживания “Сервис”;
    • подсистема обработки данных и моделирования “Процесс”.
    6. 3 ПОДСИСТЕМА “ГЕОБАНК”

“Геобанк”предназначен для выполнения информационных функций долговременного хранения, автоматизированного поиска и обработки сложноорганизованных показателей состояния геоэкологической среды и воздействующих на нее факторов. В“Геобанке”предусмотрена возможность хранения и обработки фактографической и картографической информации, характеризующей географические особенности, геологическое строение, экологическое состояние, гидрогеологические и инженерно-геологические условия территории г. Сочи.

Подсистема функционирует в автоматизированном режиме и обеспечивает решение следующих задач:

    • контроль, корректировка и ввод информации в базы данных;
    • ведение баз данных;
    • ведение словарной системы;

• обеспечение требуемой информацией других подсистем АИПС ГЭМ г. Сочи. Для адресной привязки фактографической информации и построения матричных карт вводится единая система условных квадратных координат, разбивающая всю территорию г. Сочи на квадратные ячейки. Размер ячейки определяется уровнем детальности. При этом удобно за характерный размер ячейки принимать 1 см * 1 см карты соответствующего масштаба. В этом случае для обзорного уровня (масштаб 1: 100000) шаг сетки будет составлять 1 км, для локального уровня (масштаб 1: 25000) он будет 250 м. Для детального уровня(масштаб 1: 5000 - 1: 10000) шаг сетки будет соответствовать 50 м. Шаг сетки для объектного уровня определяется характером решаемой задачи и, можно сказать, может быть произвольным. 63. 1 КАРТОГРАФИЧЕСКАЯ БАЗА ДАННЫХ(КБД)

картографические базы включают цифровые карты и матричные контурные карты различных уровней детальности, соответствующих различным исходным масштабам. Матричные карты строятся на основе приписывания блокам модели цифровой или кодовой характеристики. Цифровая характеристика определяет среднее значение какого-либо параметра или показателя в данном блоке. Например: среднее значение абсолютной отметки поверхности земли, средняя мощность водоносного горизонта, процент лесистости, относительная застроенность территории, принадлежность данного блока к определенному району или к определенному речному бассейну. В последних двух случаях данному блоку приписывают определенный код. Соответственно, в базе данных хранятся матрицы показателей и параметров. Контурные карты строятся путем выделения контуров полей объектов и показателей, имеющих одинаковые характеристики или значения. Например, контуры распределения пород определенного возраста, ландшафтная карта, речная сеть. В базе данных в этом случае хранится информация только о контуре объекта.

Матричные карты целесообразно использовать для параметров и показателей, необходимых для моделирования в частности для моделирования геофильтрации. Контурные карты удобны для справочно-информационной системы, вследствие их меньшей условности.

Не исключается сочетание матричных и контурных карт для одного показателя или характеристики.

    6. 3. 2 ФАКТОГРАФИЧЕСКАЯ БАЗА ДАННЫХ(ФБД)

Фактографические базы включают непосредственно измеренные величины и предварительно обработанные данные по пунктам наблюдений. Пунктом наблюдения может быть любая точка на местности, к которой привязана какая-либо информация: маршрутная точка, отложение, скважина, родник, метеостанция, гидропост. При выборе информации, которую следует хранить в ФБД, особое значение приобретает уровень агрегированности этой информации, последний в конечном итоге должен зависеть от поставленных задач. Пользователь должен решить, например, нужны ли ему суточные данные об осадках или речном стоке или ему достаточно иметь среднемесячные величины.

Всю информацию целесообразно разделить на постоянную и переменную (статическую и динамическую). К первой относится, например, описание разреза скважины, ко второй - данные о режиме температуры напоров подземных вод. 6. 3. 3 СИСТЕМА КЛАССИФИКАЦИИ И КОДИРОВАНИЯ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ Организация любой машинной обработки геоэкологической информации не возможна без решения вопросов классификации и кодирования объектов и характеризующих их показателей. В проблеме создания АИПС ГЭМ эти вопросы еще более актуальны. Это обусловлено тем, что для нормального функционирования АИПС ГЭМ , в отличие от многих других информационных систем, необходима информационная база, содержащая показатели не только текущего состояния геоэкологической среды, но и большой объем данных ретроспективного характера. Чем больше ретроспективной информации хранится в ГЕОБАНКЕ, тем больше вероятность правильного диагноза текущего состояния геоэкологической среды и разработки модели, позволяющей уверенно прогнозировать будущие ее изменения. Однако, в течение длительного периода геоэкологических исследований на изучаемой территории интересующие нас данные получались многими организациями, разными методами. Менялись представления об условиях залегания и образования пород, способы документации геологических выработок. Все это говорит о том, что система классификации объектов предметной области АИПС ГЭМ должна быть очень гибкой и позволять вводить и хранить в ГЕОБАНКЕ практически любую информацию о геоэкологической среде, получавшуюся на пунктах наблюдений в разные годы.

Система классификации и кодирования объектов должна быть достаточно полной и обеспечивать решение всех комплексов задач АИПС ГЭМ. Структура системы АИПС ГЭМ предполагает, что большинство задач решается на нескольких уровнях детальности. При этом, как известно, требуется различный уровень генерализации информации о состоянии геоэкологической среды и воздействующих на нее факторах, получаемой на пунктах наблюдений. Следовательно, система классификации и кодирования информации должна обеспечивать ввод и хранение данных в том виде, в каком они приведены в первоисточнике, а также в генерализованном представлении, необходимом для решения задач определенного типа.

Для решения большинства задач, связанных с диагностикой и прогнозированием состояния геоэкологической среды, необходимо установление однозначного соответствия между наборами показателей, свойств и состояния среды, координатным пространством и исследованием этих показателей. В связи с этим система АИПС ГЭМ должна иметь развитую систему классификации и кодирования объектов территориального деления, позволяющую осуществлять поиск, систематизацию и обработку характеризующих их данных применительно к различным масштабам исследований. При этом, необходимым условием автоматизации решения различных комплексов задач является наличие четких и однозначных правил классификации объектов, их композиции и декомпозиции.

Система классификации и кодирования должна удовлетворять и ряду других требований, имеющих общий характер. Таким образом, по степени сложности, задача создания эффективной словарной системы приближается к задаче создания всей системы организации структуры базы данных. Поэтому на стадии проектирования банка данных этой задаче должно уделяться соответствующее внимание. В предлагаемой концепции ГЕОБАНКА используется иерархическая и многоаспектная системы классификации. Иерархическая система классификации применяется в тех случаях, когда множество объектов одного типа последовательно подразделяется на более простые объекты по разработанным правилам.

Многоаспектная система классификации предполагает деление множества объектов одновременно по нескольким независимым признакам.

Процесс создания словарной системы проходит в несколько стадий. Сначала определяются общие контуры этой системы, предварительный перечень классификаторов, осуществляется поиск приемов кодирования информации. По мере отработки перечня показателей, хранимых в базе данных, работы с реальными массивами данных, извлекаемых из первоисточников, неизбежны изменения и дополнения словарной системы. При этом важно, чтобы это не приводило к необходимости повторного ввода данных в новой форме.

Одно из главных назначений словарной системы состоит в документировании данных. Так как базы данных обслуживают многих пользователей, крайне необходимо, чтобы они правильно понимали, что представляет собой каждый показатель, и придерживались выработанных соглашений о системах их классификации и кодирования. Эти соглашения в виде определений, описаний, инструкций должны быть точными, недвусмысленными и согласованными.

Словарная система АИПС ГЭМ является проблемно-ориентированной, т. е. учитывает особенности решаемых задач, применяемых математических моделей природных объектов, методов получения информации в разные годы. Поэтому значительная часть классификаторов предназначена для использования в пределах системы. Это значительно упрощает, например, ввод в систему ретроспективной информации, представленной в первоисточниках в нетрадиционной форме. Кроме того, применение локальных классификаторов позволяет, как правило, сократить длину записей значений показателей и упростить их кодовые обозначения. Обмен информации с другими информационными системами в этом случае возможен через специальный интерфейс.

Система кодирования включает совокупность правил присвоения и записи кодовых обозначений информационных объектов и показателей. Система кодирования является комбинированной, основанной на совместном использовании порядковых и разрядных кодовых обозначений. При порядковой системе каждому элементу кодируемого множества присвоен номер по порядку без каких либо пропусков, что обеспечивает минимальную длину кода. Этот метод кодирования используется для относительно небольших и простых структур, имеющих строго упорядоченный перечень элементов. В некоторых случаях допускаются пропуски в порядковой нумерации, обеспечивающие необходимый резерв емкости классификатора.

Разрядная система применяется для кодирования нескольких различных совокупностей признаков при многоаспектной классификации.

Каждому классификатору присваивается его порядковый номер, являющийся в данной словарной системе уникальным. Таким образом существует ряд общих требований, которым должна удовлетворять система классификации и кодирования информации: • обеспечивать различный уровень детальности классификации и кодирования всех объектов предметной области;

• быть “гибкой”, т. е. учитывать неформализованный характер геологической документации; • обеспечивать возможность кодирования описаний

геологических и других объектов предметной области по первоисточнику; • иметь запас резервной емкости классификаторов;

• обеспечивать информационную совместимость с другими информационными системами, включающими исследуемую предметную область.

    6. 4 ПОДСИСТЕМА ИНФОРМАЦИОННОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ (“СЕРВИС”)

Подсистема “Сервис” предназначена для формирования стандартных и нестандартных запросов по оценке состояния геоэкологической среды. Подсистема “Сервис” включает следующие блоки:

    • служебные базы полевых и лабораторных испытаний;
    • служебные базы для обработки информации;
    • справочно-библиографическую базу.

Система позволяет обеспечивать ответы на запросы на информационном уровне с использованием сведений, имеющихся в ГЕОБАНКе, а также обращаться к подсистеме“Процесс” для моделирования и обработки данных. В соответствии с этим подсистема “Сервис” производит: • обработку запросов внешних и внутренних пользователей;

• подготовку данных для моделирования и обработки фактического материала; • формирование табличных и графических выходных документов. Подсистема обеспечивает также обслуживание запросов и выдачу выходной документации в соответствии со стандартами Государственного водного кадастра. 6. 4. 1 СЛУЖЕБНЫЕ БАЗЫ ПОЛЕВЫХ И ЛАБОРАТОРНЫХ ИСПЫТАНИЙ (СБИЛИ) Служебные базы СБПЛИ содержат информацию, получаемую в результате полевых и лабораторных испытаний, которую необходимо в дальнейшем тем или иным образом обрабатывать. Это могут быть, например:

• данные опытно-фильтрационного опробования, содержащие схему куста скважин, их разрезы, данные об изменениях расхода и уровней в процессе откачки; • данные об испытании грунтов на сдвиг;

• материалы компрессионных испытаний грунтов на прессиометре; • данные выпусков при разведке минеральных и термальных вод; • материалы лабораторных определений свойств и состава подземных и поверхностных вод и горных пород.

Перечисленные данные приводятся в качестве примера и естественно не исчерпывают списка материалов, получаемых геологическими организациями и в дальнейшем подлежащих обработке с использованием аналитических расчетов. Блок СБПЛИ включает программные средства, позволяющие ограничивать ввод, корректировку, сортировку данных и передачу их в подсистему“Процесс” для дальнейшей обработки. 6. 4. 2 СЛУЖЕБНАЯ БАЗА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

Служебная база для обработки информации является промежуточной и предназначена для выполнения ряда функций по подготовке информации к обработке. Эти функции сводятся к следующему:

• выборка необходимой для ответа на запрос информации и представление ее в виде удобном для обработки;

• формирование простых ответов на запрос с прямым использованием информации, содержащейся в ГЕОБАНКе;

• формирование матричных карт параметров для решения геофильтрационных и миграционных задач;

    • формирование данных для статистической обработки;

• подготовка информации для построения карт, графиков и таблиц; • подготовка выходных документов, необходимых для ведения Государственного водного кадастра и территориального уровней.

    6. 4. 3 СПРАВОЧНО-БИБЛИОГРАФИЧЕСКАЯ БАЗА

Справочно-библиографическая база содержит материалы, необходимые для составления проектно-сметных документов, отчетов, а также оценки фактографической информации с точки зрения методов ее получения. В соответствии с задачами в справочно-библиографической базе содержатся: • заголовки опубликованных работ (их авторы, год издания, издательство и число страниц, реферат и ключевые слова), тематика которых связана с данной территорией;

    • заголовки фондовых отчетов;

• данные о нормативно-справочных материалах, необходимых для обоснования объемов работ;

• справки о методической литературе, имеющей рекомендательный характер, используемой при проектировании и проведении работ;

• сведения о гостируемых и утвержденных методиках на проведение полевых и лабораторных испытаний и определений.

6. 5 ПОДСИСТЕМА ОБРАБОТКИ ДАННЫХ И ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ “ПРОЦЕСС” Подсистема “Процесс”предназначена для обработки геоэкологических данных и прогноза развития геологических процессов на основе моделирования и численно-аналитических расчетов. Учитывая разнообразие решаемых задач, подсистема компануется из решающих модулей, которые могут формироваться в процессе развития системы. Блок обработки геоэкологической информации и численно-аналитических расчетов включает:

а) комплекс программных средств, предназначенных для статистической обработки и корреляционного анализа данных, построения геологических полей (пространственного распределения характеристик и параметров геологической среды), получение эмпирических зависимостей;

б) гидрогеологические и инженерно-геологические расчеты состоят из комплекса задач, предназначенных для численно-аналитических расчетов систем водозаборных скважин, дренажных сооружений, устойчивости склонов, распределения напряжений под зданиями и сооружениями;

в) картосоставление и построение разрезов включает комплекс задач, облегчающих работу геолога при составлении синтетических и специальных карт по определенным правилам с использованием формальных и неформальных приемов на основе картографической и фактографической информации;

г) вспомогательный блок “Эксперимент”включает комплекс программ, предназначенных для обработки лабораторных и полевых испытаний, наблюдений и измерений и предусматривает решение задач по обработке следующих данных:

    • опытно-фильтрационных;
    • инженерно-геологических испытаний грунтов;
    • геофизических исследований;
    • топо-геодезических исследований;
    • лабораторных определений.
    6. 6 ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АИПС ГЭМ

Программно-технические средства АИПС ГЭМ предназначены для решения задач, обеспечивающих функционирование системы в режиме диалога пользователя с машиной. Общие требования, предъявляемые к программно-техническим средствам, определяются прежде всего ориентацией системы на работу специалиста геоэколога. В соответствии с этим они должны обеспечивать:

а) ввод и вывод информации в привычной для специалиста форме (таблицы, графики, карты, разрезы);

б) обеспечивать обращение пользователя к данным по их наименованиям; в) удобство работы пользователя посредством системы меню и подсказок; г) возможность развития системы меню и подсказок;

д) возможность развития системы за счет дополнения ее новыми программными модулями и блоками;

е) оформление табличных и графических материалов по форме отчетной документации;

    ж)работу с большими массивами данных;
    з)решение основных задач в приемлемое время;
    и)быструю обработку информации.

В настоящее время этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют компьютеры с процессорами PENTIUM II, которые имеют частоту 233-300 МГц и обеспечивают очень высокое быстродействие. Всю систему АИПС ГЭМ целесообразно реализовать на трех-четырех компьютерах, которые на следующих этапах объединяются в локальную сеть. И в дальнейшем также желательно подключение к сети Internet, что обеспечивает доступ информации по всему миру. Выводы.

    Я считаю, что:

1. в настоящее время экологическая информационная система - это наиболее перспективный инструмент НАКОПЛЕНИЯ/ОБРАБОТКИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ экологической информации;

2. с помощью экологических информационных систем стало возможным управлять качеством окружающей среды и предупреждение загрязнения территории; 3. в России необходимо разрабатывать и совершенствовать экологические информационные системы. Для этого В-ПЕРВУЮ очередь надо расширять круг специалистов, заинтересованных в интеллектуализации информационных систем; 4. для улучшения экологических информационных систем и облегчения работы с ними необходимо усовершенствовать:

    • базы данных;
    • программные средства;
    • регламентированные языки;

5. в Сочи также необходимо разработать региональную экологическую информационную систему, с помощью которой можно было бы выявлять оценку и прогноз состояния природной среды и антропогенного воздействия на нее, и вместе с тем проводить охрану курортных зон.

    СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аргучинцев В. К. /Экспертиза//Пробл. экол. : Тез. докл. , Новосибирск, 1994.

2. Афанасьев Р. А. /Экологические ИМС//Ин-т химии, М: Наука -1993. 3. Балобаев В. Т. /Рациональное природопользование//Сб. науч. тр. /РАН. - 1993. 4. Баранов А. Б. /Информационное обеспечение//инженерная экология, - 1996, №2. 5. Бердяев К. Л. /Решение экологических задач//Экол. и приборостр. - 1993. - №1. 6. Боглачева С. В. /О совершенствовании системы регионального управления природоохранной деятельности//Соц. -экол. эффектив. пр-ва/политехн. ин-т. -1993 7. Бондарева Л. И. /Обеспечение экологического мониторинга//Пробл. геол. /Тез. докл. 1995.

8. Брушлинский Н. Н. /Разработка компьютерных проектов//Информ. системы - М. 1993. 9. Бугровский В. В. /Об аналогии явлений в технике с позиции инф-ции//Инф. пробл. изуч. биосферы: геоэкоинф. центры/РАН-М, 1993.

10. Бугровский В. В. /Автоматизированная экоинформационная система г. Москвы и московского региона//Инф. пробл. изуч. биосферы: геоэкоинф. центры/РАН-М, 1993.

11. Будников Г. К. /Аспекты аналитического контроля//Казан, мед. ин-т - 1992 73, №4.

12. Бутусов О. Б. /Моделирование абиотических процессов для автоматизированных экоинформационных систем//инф. пробл. изуч. биосферы/РАН-М, 1994. 13. Ваницин К. Л. /Экосистемы информации//Экол. аспекты - М, 1991. 14. Воротынцев А. Г. /О создании электронных экологических карт//Применение электрон. -вычисл. техн. в топогр. -геод. пр-ве/Федерал. служба геод. России -М, 1993.

15. Вятков Н. И. /Автоматика экологии сегодня//Ин-т инф-ки 1995. 16. Глушенков B. C. /Науч. -техн. центр дистанц. диагност. природ, среды - 1992 -№б.

17. Голубев Н. С. /Экоинф. обеспечение экологических программ//Экология - 1995 №5.

    18. Гордеев Л. С. /Рос. хим. технол. ин-т - М/1993.

19. Гордыненко И. В. /Международные отношения в экологии//Изд. РАН - 1994 - №6.

Страницы: 1, 2, 3