В управлении землепользованием и в ведении городского хозяйства одним из основных видов продукции является информация (в том числе картографическая), получаемая на основе имеющихся данных. При решении экологических задач с помощью ГИС акцент на продукцию несколько иной. В ходе экологического наблюдения (мониторинга) осуществляют сбор и совместную обработку данных, относящихся к раз личным природным средам, моделирование и анализ экологических процессов и тенденций их развития, а также использование данных при принятии решений по управлению качеством окружающей среды.
Результат экологического исследования, как правило, представляет оперативные данные трех типов: констатирующие ( измеренные параметры состояния экологической обстановки в момент обследования), оценочные ( результаты обработки измерений и получение на этой основе оценок экологической ситуации), прогнозные ( прогнозирующие развитие обстановки на заданный период времени).
Из этого следует, что в экологических ГИС применяются в первую очередь динамические модели. В силу этого большую роль в них играют технологии создания электронных карт.
Совокупность всех перечисленных трех типов данных составляет основу экологического мониторинга.
Особенностью представления данных в системах экологического мониторинга является то, что на экологических картах в большей степени представлены ареальные геообъекты, чем линейные.
Относительно цифрового моделирования принципиальным следует считать использование цифровых моделей типа цифровая модель явления, поле и т.п.
На уровне сбора наряду с топографическими характеристиками дополнительно определяются параметры, характеризующие экологическую обстановку. Это увеличивает объем атрибутивных данных в экологических ГИС по сравнению с типовыми ГИС. Соответственно возрастает роль семантического моделирования.
|
|
На уровне моделирования используют специальные методы расчета параметров, характеризующих экологическое состояние среды и определяющих форму представления цифровых карт.
На уровне представления при экологических исследованиях осуществляют выдачу не одной, а, как правило, серии карт, особенно при прогнозировании явлений. В некоторых случаях карты выдаются с применением методов динамической визуализации, что довольно часто можно наблюдать при метеопрогнозах, показываемых по телевидению.
В качестве примера рассмотрим систему экологического мониторинга, создаваемую для Москвы. Объектами мониторинга Москвы являются: атмосферный воздух, поверхностные и подземные воды, почва, зеленые насаждения, радиационная обстановка, среда обитания и состояние здоровья населения.
Большое число организаций (федеральных, муниципальных, ведомственных) в Москве занимаются независимо друг от друга сбором данных о состоянии параметров объектов окружающей среды. Производится контроль состава атмосферного воздуха, количества выбросов промышленных предприятий и автотранспорта, качества поверхностных и подземных вод и т.д. Эти работы выполняют различные организации - от ГАИ до санэпидемстанций. Недостатки существующего порядка сбора экологических данных - разрозненность и бессистемность, разобщенность городских природоохранных организаций и отсутствие комплексных оценок и прогнозов развития экологической обстановки.
|
|
Главная задача городского экомониторинга - получение комплексной оценки экологической ситуации в городе на базе интеграции всех видов данных, поступающих от различных организаций. Интеграционной основой множества данных, естественно, является карта. Следовательно, решение задач экомониторинга города неизбежно приводит к созданию и применению ГИС. Для этого объединяют существующие сети различных измерений и специализированные мониторинга природоохранных служб. Создание системы основано на внедрении современных средств контроля на базе единого информационного пространства.
Структура системы экомониторинга Москвы включает два уровня.
Нижний уровень системы включает:
федеральные, городские и ведомственные подсистемы специализированных мониторингов (мониторинг атмосферы, поверхностных вод, здоровья населения, радиологический мониторинг, мониторинг санитар ной очистки территории города, мониторинг недр и подземных вод, почв, зеленых насаждений, акустический мониторинг, градостроительный мо ниторинг);
территориальные центры сбора и обработки данных, созданные на базе территориальных отделений Москомприроды.
Эти подсистемы обеспечивают сбор полной и по возможности качественной информации о состоянии окружающей среды на всей территории города. В локальных центрах проводятся также анализ информации и ее отбор для передачи на верхний уровень.
Территориальные центры обеспечивают сбор информации по источникам антропогенного загрязнения на территории административных округов и используют данные территориальных подразделений федеральных служб и городских хозяйственных организаций.
|
|
Верхний уровень системы экомониторинга составляет информационно-аналитический центр. В задачи верхнего уровня системы входят:
оперативная оценка экологической ситуации в городе;
расчет интегральных оценок экологической ситуации;
прогноз развития, экологической обстановки;
подготовка проектов управляющих воздействий и оценка последствий принимаемых решений.
Очевидно, что информационная система экомониторинга Москвы имеет ярко выраженный распределенный характер. Поэтому она строится на основе распределенной информационной сети.
Для эффективного использования накапливаемых данных необходимы комплексная обработка и совершенные методы моделирования и представления данных.
Геоинформационные системы являются оптимальным средством для представления и анализа пространственно-распределенных экологических данных.
Подсистема специализированных мониторингов охватывает ряд организаций (Москомзем, НПО "Радон", НИиПИ Генплана), имеющих инструментальные пакеты ГИС. Другие организации (Мослесопарк, МГЦСЭН) подобного программного обеспечения не имеют. 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.
Программный комплекс, разрабатываемый АО "Прима", обеспечивая решение задач территориальных отделений Москомприроды или комитетов по охране природы крупных и средних городов, выполняет 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.
Кроме ведения баз данных предусмотрены работы по моделированию и получению тематических карт. В частности, в системе производятся следующие виды расчетов: расчет платежей за использование природных ресурсов и расчет полей концентрации загрязняющих веществ в атмосфере, воде и почве.
Система экологического мониторинга предусматривает обмен данными между его участниками. Поэтому одним из главных требований, предъявляемых к программному обеспечению всех подсистем, является возможность конвертирования файлов данных в стандартные форматы (dbf для файлов баз данных и DXF для графических файлов).
При создании системы экомониторинга Москвы использовалась единая система координат для всех подразделений экомониторинга. Все геоинформационные (включая экологические) данные должны иметь единую координатную привязку, и тогда при обмене информацией в цифровом виде не возникает никаких проблем.
Масштабы карт, на которых работают разные подсистемы экомониторинга, могут быть различными: от 1: 2 000 для территориальных отделений Москомприроды до 1: 38 000 для верхнего уровня системы.
В организации экомониторинга Москвы геоинформационные технологии составляют основу, поскольку они обеспечивают решение задач экологического мониторинга Москвы.
Сложившаяся около двадцати лет назад система нормирования выбросов загрязняющих веществ в атмосферу сегодня определяет основные принципы управления качеством атмосферного воздуха. В 1980-е годы вместе с бурным развитием вычислительных средств значительно выросли объемы работ по установлению нормативов ПДВ, и появилась необходимость в использовании специализированных программных средств.
Наиболее трудоемкой частью работы по выпуску проекта нормативов ПДВ является проведение расчетов величин приземных концентраций вредных веществ согласно "Методике расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий" (ОНД-86). Поэтому в первую очередь появился спрос на программы, реализующие алгоритм названной методики - унифицированные программы расчета загрязнения атмосферы (УПРЗА). Разработка первых таких программ велась централизованно и не имела коммерческого характера. Наиболее известной УПРЗА того времени являлась программа "Эфир " для машин класса ЕС.
Естественно, при использовании больших машин практически не шло речи о более или менее полной автоматизации деятельности сотрудников служб охраны природы предприятий. Работа с такой машиной требовала определенной специализации, соответственно, и существовавшие программы были рассчитаны в основном на операторов ЭВМ или инженеров-программистов. Работа по подготовке исходных данных для машины инженерами-экологами сводилась к заполнению соответствующих бумажных форм, передававшихся оператору, который и осуществлял занесение данных в программу, проведение расчетов и получение распечаток с результатами.
Некоторые разработчики пошли дальше и автоматизировали процесс выпуска таблиц проекта нормативов ПДВ и некоторых других документов. Появились программные комплексы для больших машин, в которых главная программа (УПРЗА) дополнялась несколькими вспомогательными.
Такой способ работы лишал разработчиков томов ПДВ определенной оперативности. При необходимости многократного изменения исходных данных в целях получения приемлемых величин приземных концентраций требовались немалые затраты времени.
В начале 1990-х годов возникла совсем другая ситуация. Во-первых, началось бурное развитие персональной техники, сопровождавшееся массовым списанием больших машин. Во-вторых, разработка программных средств стала преследовать коммерческие цели. Возникли условия для возникновения рынка программных средств, в том числе и в области охраны атмосферного воздуха. Этот рынок тогда же, в начале 1990-х годов, и возник, на нем появились несколько фирм, производящих программные средства по охране атмосферного воздуха.
Персональные компьютеры стали устанавливаться непосредственно в подразделениях, занимавшихся охраной атмосферного воздуха. Начал изменяться и процесс работы с вычислительной техникой - на сотрудников вычислительных центров предприятий стало возлагаться в основном лишь техническое сопровождение персональных компьютеров и поддержание работоспособности программ, а работу с программными средствами осуществляли сами сотрудники природоохранных служб. Это создало предпосылки для быстрого роста автоматизации работы этих служб, но сам процесс такого перехода был достаточно болезненным. Поэтому первое время за персональным компьютером во многих организациях по-прежнему сидел оператор, а разработчики программных средств снабжали их бумажными формами для диалога "эколог - оператор".
Однако идеология самих программных средств изменилась. Производители программ могли использовать недоступные ранее возможности персональных компьютеров. Программы выпускались с " пользовательским " интерфейсом, интуитивно понятным даже не специалистам по работе с ЭВМ. Установка программ на компьютер и их настройка тоже были доступны не только специалистам. Обработка ошибок производилась на понятном пользователю языке, защита от некорректных действий пользователя стала достаточно совершенной. И все же барьер, в основном психологический, боязнь самостоятельной работы на новой технике были преодолены не сразу.
Первыми программными средствами по атмосферному воздуху для персональных компьютеров стали несколько УПРЗА и так называемые справочные программы - базы данных по веществам, размерам платежей за выброс и т.п. Выпуск новой УПРЗА на рынок был возможен только после прохождения тестирования и согласования программы Главной геофизической обсерваторией им. А.И. Воейкова. В связи с совершенствованием УПРЗА они проходили регулярное пересогласование (этот порядок действует и сейчас). Поэтому в течение последних лет пользователям предлагались не более пяти таких программ, и состав фирм-разработчиков практически не менялся.
Следующей очевидной задачей стала разработка программных средств, формирующих и выпускающих таблицы тома ПДВ. Выпуском таких программ закончился "перенос" программных средств, написанных для больших машин, на персональный компьютер. Как было сказано, этот "перенос" в большинстве случаев сопровождался сменой идеологии самих программных средств. В дальнейшем производители, которые пытались перенести программы с большой машины на персональный компьютер, не меняя идеологию, оказались практически не у дел, хотя в то время желание сохранить своих старых пользователей с их привычками казалось естественным.
В дальнейшем благодаря контакту разработчиков и пользователей начали появляться новые классы задач, реализуемых программными средствами. Это в первую очередь относится к программам, реализующим отраслевые методики по расчету величин выбросов вредных веществ для различных производств. Создание таких программных средств уже не диктовалось практической невозможностью проведения расчетов без использования компьютера (как это было при создании УПРЗА), а было обусловлено необходимостью более полно автоматизировать все стадии процесса работы специалиста природоохранной службы предприятия. Таким образом стали формироваться системы, называемые " рабочее место эколога ", центральное место в которых занимает УПРЗА.
Такие системы отличаются модульным принципом. Каждое программное средство, входящее в систему, является самостоятельным, не требующим для своей работы других компонентов системы. С другой стороны, производится обмен данными между программами, например, упомянутые программы, реализующие методики по расчету выбросов, передают результаты расчетов УПРЗА для дальнейшего использования в расчетах рассеивания вредных веществ. Такой подход удобен для пользователя, который может приобрести для своей работы, например, УПРЗА и к ней выборочно несколько программ, реализующих различные методики по расчету выбросов, программу-справочник по веществам, программу выпуска таблиц тома ПДВ и т.д. Требования по согласованию УПРЗА (даже если это лишь расчетный модуль без специального интерфейса) заставили разработчиков использовать в своих системах только согласованные УПРЗА. Нередко разработчики программных средств предлагают пользователю на выбор две-три УПРЗА разных производителей и к ним различные вспомогательные программы собственного производства.
Фирм, производящих программное обеспечение воздухоохранной деятельности, в Российской Федерации немного, и между ними существует некоторая борьба за пользователя. В силу конкуренции этими фирмами решены практически все "универсальные" задачи, то есть разработаны программные средства, которые найдут спрос у большинства инженеров-экологов. Массовая разработка программных средств для решения других задач воздухоохранной деятельности представляется малоэффективной. Можно сказать, что деятельность сотрудников служб охраны природы в настоящее время в необходимой мере автоматизирована. Теперь производители программных средств имеют возможность получать коммерческую прибыль тремя основными путями.
Первый путь - это извлечение прибыли из уже проданных программных средств. Во-первых, это постоянное совершенствование своих программных средств, и, соответственно, выпуск новых версий программ. Замена одной версии на другую (upgrade) производится за небольшую дополнительную плату. Подобный вариант работы эффективен только при больших объемах продаж, которые сегодня имеет, пожалуй, только " Интеграл ". Программные средства, постоянно улучшаясь, наконец достигают некоторого совершенства (или, по крайней мере, оптимальности для конкретных пользователей). Конечно, существует определенный процент пользователей, желающих всегда иметь последнюю версию, но для многих замена версии программы не является целесообразной, если в новой версии программы не появляется возможность решения каких-то новых задач.
Некоторые фирмы-производители программных средств вводят систему абонементного обслуживания на определенный срок, в стоимость которого включена и замена версий. Такая схема работы дает более-менее постоянную прибыль, усилия для получения которой не всегда обязательны.
Второй путь - производство программных средств под конкретного заказчика. Это может быть работа по заказу предприятия по автоматизации рабочего места эколога или по заказу территориального органа по охране природы (например, учет документов и т.д.). Такие работы всегда являются очень дорогими для заказчика, и, соответственно, нерегулярными. Кроме того, на производителя программных средств в этом случае накладываются более жесткие требования по сопровождению и доработке программ, и в конечном счете такие работы оказываются малоэффективными.
При том, что работа специалистов по атмосферному воздуху на предприятиях и в проектных организациях в должной степени автоматизирована, в работе сотрудников территориальных органов охраны природы компьютер задействован только для выполнения минимального набора элементарных операций. А ведь здесь тоже имеются свои " универсальные " задачи, и программные средства, решающие их, могут найти широкое применение, что, в свою очередь, образует в дальнейшем новые классы задач и обширное поле деятельности для фирм-разработчиков программного обеспечения.
Отсутствие автоматизации деятельности территориальных органов охраны природы негативным образом отражается на качестве экспертизы. Не представляется возможным качественное решение таких задач, как проведение сводных расчетов загрязнения атмосферы в городе (регионе), ведение разного рода сводных статистических обзоров и т.п. Немногочисленные созданные для решения таких задач продукты обладают как минимум двумя недостатками - во-первых, на сотрудников территориальных органов охраны природы возлагается работа по подготовке и занесению исходной информации, во-вторых, такая информация, как правило, недостаточно достоверна. Так, при подготовке сводного расчета специалист в течение продолжительного времени заносит данные об источниках выбросов, либо использует устаревшую информацию.
Решить проблему достоверности исходных данных для сводных расчетов можно только путем автоматизации не только процесса проведения сводного расчета, но и процесса приема исходных данных от организаций. Исходные данные в этом случае могут приниматься на дискетах, по модему, глобальной сети и т.п. Такой процесс работы лишен вышеназванных недостатков - тратится минимальное время на занесение информации, сама информация поступает в базу данных регулярно, обновляя общую картину. Этот же подход можно применить при составлении сводных форм статистической отчетности 2-ТП (воздух) и для решения некоторых других задач.
Существуют и препятствия, не позволяющие территориальным органам охраны природы внедрять практику приема данных на магнитных носителях, а разработчикам - серьезно заняться разработкой соответствующего программного обеспечения. На сегодня это, в первую очередь, низкий уровень компьютерной грамотности сотрудников многих предприятий, то есть именно тех людей, которые должны заниматься подготовкой данных для передачи в территориальные органы охраны природы. Кроме того, требуется вводное обучение работе с новым программным обеспечением сотрудников как территориальных органов охраны природы, так и предприятий. Играет свою роль и крайне скудное финансирование бюджетных организаций, к которым относятся и комитеты по охране природы. Принимая это во внимание, фирма " Интеграл " передала во многие территориальные органы охраны природы свое программное обеспечение бесплатно, а сотрудники фирмы провели вводное обучение. В настоящее время в качестве эксперимента в некоторых комитетах по охране природы ввели прием данных от предприятий на магнитных носителях.
Разработанная фирмой "Интеграл" автоматизированная система приема, обработки и обобщения данных о параметрах источников выброса загрязняющих веществ на существующее положение и перспективу " Эколог-город " представляет собой начало принципиально нового направления в разработке программного обеспечения в воздухоохранной деятельности.
Система "Эколог-город" разработана для автоматизации деятельности территориальных органов охраны природы. Пользователями системы могут являться районные, городские, областные и территориальные комитеты охраны природы, а также экологические службы города (региона). Система предназначена для создания и автоматизированного пополнения городского банка данных " Источники выбросов. Существующее положение и перспектива " и статистической обработки информации.
В состав системы входят:
Программа автоматического приема информации о параметрах источников выброса предприятий по подготовленным в едином формате данным инвентаризации, тома ПДВ, раздела проекта охраны окружающей среды
Программа ведения обобщенного городского банка данных источников выброса
Программа подготовки статистических обзоров
Программа расчета рассеивания вредных веществ в атмосфере по ОНД-86 (расчетный блок системы, согласован ГГО им. А.И. Воейкова)
Программа визуализации экологической информации на электронной карте города (региона)
Программа "Магистраль", позволяющая производить расчет выбросов загрязняющих веществ автотранспортными потоками при движении автомобилей по городским магистралям
Программа определения допустимых вкладов в загрязнение атмосферы выбросов загрязняющих веществ предприятиями
Система в стандартном варианте поставки обеспечивает:
ввод данных в едином формате с дискет или по другим каналам (модем, сеть)
непосредственный (" ручной ") ввод информации
автоматизированную обработку поступившей информации и пополнение банка данных
доступ к информации на любом уровне (предприятия, района, города) на существующее положение и любую дату перспективы
статистическую обработку и получение информации о валовых выбросах на существующее положение и перспективу, эффективности природоохранных мероприятий, обеспеченности газоочисткой и т.д.
Все программы, входящие в систему, просты в освоении и использовании. Компоненты системы прошли необходимое согласование. Настройка системы позволяет легко ее адаптировать под требования конкретных пользователей. Формат внутреннего хранения данных обеспечивает возможность включения в систему дополнительных модулей.
Для обеспечения автоматического пополнения банка данных Фирмой "Интеграл" разработан ряд программ нижнего звена (уровень предприятия, проектного института) обеспечивающих при разработке инвентаризации, тома ПДВ, раздела проекта одновременную подготовку информации о параметрах источников выброса на магнитном носителе.
Значение системы "Эколог-город", функционирующей в городе, трудно переоценить. Вопросы экологии волнуют сегодня не только природоохранные организации и простых граждан, но и все ветви власти на любом уровне, а также бизнесменов, особенно тех, кто связан с инвестиционной деятельностью. Использование системы при проведении государственной экологической экспертизы проектов генеральных планов застройки территорий, проектов на строительство, реконструкцию или ликвидацию предприятий, зданий и сооружений не только существенно упростит задачу экспертов, но и значительно повысит достоверность получаемой информации.
Для наглядного представления результатов сводных расчетов загрязнения атмосферы в городе фирма "Интеграл" разработала программу " Экологическая карта загрязнения воздуха". Программа работает во взаимодействии с системой "Эколог-город" и позволяет проводить анализ проведенных расчетов приземных концентраций с привязкой к топооснове местности. Таким образом сделан шаг в область стыковки экологических программных средств с ГИС-технологиями.
Система "Эколог-город " успешно эксплуатируется в ряде регионов страны, в частности, Кондопоге, Воронеже, Пскове, Перми. Внедрение системы качественно изменило весь подход к воздухоохранной деятельности. Уйдя от рутинной работы, территориальные органы охраны природы получили реальную возможность управлять качеством охраны атмосферного воздуха.
В ближайшее время выйдет в свет программа, реализующая новую инструкцию по инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Эта программа значительно упростит труд инженеров-экологов.
Еще одним перспективным направлением является разработка программы по расчету среднегодовых концентраций загрязняющих веществ в атмосфере. Соответствующее программное обеспечение появится одновременно с выходом в свет методики - преемника ОНД-86. Значения среднегодовых концентраций загрязняющих веществ могут быть использованы, в частности, для оценки риска здоровью населения.
ГИС федерального уровня, содержащие экологический компонент, в последние годы разрабатывались во многих ведомствах: в Госкомэкологии РФ (ГИС "Особо охраняемые территории"), Роскартографии (ГИС "Север" и ГИС "Байкал"), Госстрое РФ (карты сейсмического районирования, риска строительства в связи с развитием опасных природно-техногенных процессов), в Министерстве природных ресурсов (ГИС по геологии и недропользованию), Министерстве путей сообщения (ГИС экологического мониторинга загрязнения железнодорожных объектов и прилегающих территорий), Министерстве по чрезвычайным ситуациям (I очередь ГИС РСЧС), Росгидромете (ГИС в составе комплексов обработки гидрометеорологической информации и информации о загрязнении окружающей среды).
Список литературы
1. Бугаевский Л.М., Цветков В.Я. "Геоинформационные системы: Учебное пособие для вузов". М.: 2000.
2. Избачков Ю.С., Петров В.Н. "Информационные системы: Учебник для вузов". СПб.: 2006.
3. Гагарина Л.Г. "Разработка и эксплуатация автоматизированных информационных систем: учеб. пособие". М.: 2007.
4. Гобарева Я.Л. "Автоматизированные системы обработки экономической информации" М.: 2005.
5. Цветков В.Я. "Геоинформационные системы и технологии" М.: 1997.