Выделение репрезентативных показателей на основе графоаналитической модели при геоинформационном моделировании экологического состояния территорий

В последнее время постоянно ухудшающаяся экологическая ситуация на планете вызывает все больший интерес. Наиболее эффективным способом оценки экологического состояния экосистем является использование для этой задачи возможностей, которые предоставляют геоинформационные системы (ГИС). ГИС позволяют хранить, обрабатывать, отображать в электронном виде информацию по состоянию исследуемого региона. Они объединяют возможности картографических систем с возможностями баз данных, благодаря чему открываются широкие перспективы исследования пространственно-временной динамики экосистем интенсивно развивающихся территорий. Важным преимуществом геоинформационных систем является возможность составления интерактивных запросов к их содержимому с целью получения конкретной информации в необходимом виде.

Актуальность темы

.

Экологические качества природной среды определяются множеством различных показателей состояния, влияющих на общую экологическую ситуацию территории. При этом ни один из показателей состояния не может полностью отражать экологическую ситуацию, поскольку его экологический эффект зависит от устойчивости экосистем к этим типам воздействий. Также существует вероятность взаимной компенсации некоторых измеряемых показателей. Экологическая оценка природной среды должна быть комплексной, учитывающей всю совокупность воздействующих факторов. Для получения адекватной комплексной оценки природной среды необходимо отобрать из всего множества имеющихся показателей относительно небольшое число наиболее важных, чтобы исключить чрезмерную детализацию полученных результатов расчета интегрального показателя.

Существующие математические методы анализа экологических данных основаны на гипотезах об определенных свойствах наборов данных, поэтому применимы только для решения частных задач и не решают задачу отбора наиболее информативных показателей в целом. В связи с этим в настоящее время являются актуальными задачи разработки новых методов анализа имеющихся экологических данных на исследуемую территорию. Особенно важна разработка методики выделения репрезентативных показателей состояния и факторов воздействия, их дальнейшего анализа и ранжирования в геоинформационных системах для составления информативных и при этом не перегруженных деталями природно-ресурсных и экологических карт. Выделение репрезентативных показателей возможно при использовании методики, основанной на применении графоаналитической модели.

Объект и предмет исследования.

Объектом исследования является геоинформационное моделирование комплексных показателей экологического состояния интенсивно развивающихся территорий.

Предметом исследования является методика выделения репрезентативных показателей на основе графоаналитической модели при комплексной оценке и картографировании экологического состояния территорий средствами геоинформационных систем.

Цели и задачи.

Целью данной диссертационной работы является разработка и апробация методики ранжирования показателей состояния по значимости их влияния на экологическое состояние исследуемой территории.

Для реализации цели диссертационной работы должны быть решены следующие задачи:

1. Проведен анализ существующих геоинформационных систем, предназначенных для комплексной оценки экологического состояния территорий.

2. Определены принципы отбора репрезентативных показателей состояния интенсивно развивающихся территорий.

3. Проанализированы существующие математические методы, применяющиеся для анализа и отбора репрезентативных показателей.

4. Проведен анализ возможности применения методов анализа графов для отбора показателей при комплексной оценке экологического состояния территорий в геоинформационных системах.

5. Разработана методика отбора наиболее репрезентативных показателей состояния и факторов воздействия на основе логически обоснованного графоаналитического метода.

6. Выполнено апробирование методики на реальных данных.

Научная новизна.

1. Впервые использована графоаналитическая модель взаимосвязи между факторами антропогенного воздействия и их последствиями для отбора репрезентативных экологических показателей.

2. Автоматизирована методика ранжирования репрезентативных показателей состояния природных ресурсов и факторов воздействия при геоинформационном моделировании экологического состояния территорий.

Основные результаты, выносимые на защиту.

• Методика анализа и ранжирования экологических показателей загрязнения экосистем с использованием графоаналитической модели при геоинформационном моделировании экологического состояния территорий.

• Алгоритм выделения репрезентативных показателей состояния природных ресурсов, основанный на анализе модулярности графов.

• Результаты ранжирования показателей загрязнения и соответствующих им антропогенных факторов на территории Подольского района Московской области.

Первая глава диссертационной работы посвящена вопросу экологической оценки состояния интенсивно развивающихся территорий. Проведен анализ возможных способов оценки состояния окружающей среды 6 с использованием геоинформационных систем. Выявлены преимущества и недостатки различных подходов к комплексной оценке экологического состояния территорий. Выполнен обзор возможных показателей состояния природных ресурсов, а также факторов воздействия на экосистемы. На основе анализа воздействия загрязнений на различные компоненты экосистем показано, что наиболее репрезентативными показателями загрязнения территории являются показатели загрязнения почв.

Вторая глава диссертационной работы посвящена анализу различных математических методов анализа данных, которые могут использоваться в задачах геоинформационного моделирования при исследовании состояния природных ресурсов. Рассмотрены корреляционный и регрессионный анализы, метод главных компонент и метод экспертных оценок с точки зрения возможности их применения для задачи выделения наиболее репрезентативных показателей.

Рассмотрены современные методы анализа графов, применение которых возможно при геоинформационном моделировании экологического состояния территорий. Для задачи выделения наиболее репрезентативных показателей состояния и факторов воздействия рассмотрены методы разбиения графа на группы, а также методы поиска наиболее значимых ребер графа, авторами которых являются Гирван, Ньюман, Клаусет и Мур.

В третьей главе диссертационной работы описана теоретическая разработка методики выделения наиболее репрезентативных показателей на основе имеющихся в ГИС данных.

В главе проведен анализ методов прогнозирования показателей состояния на основе имеющихся проб. Проведен сравнительный анализ этих методов, выявлены недостатки и преимущества каждого из них в решении задачи геоинформационного моделирования при комплексной оценке экологического состояния территорий.

В четвертой главе диссертационной работы проведена апробация предложенной методики на основе имеющихся данных по загрязнению Подольского района Московской области.

Дано описание исходных данных на обследуемую территорию, необходимых для работы методики выделения наиболее репрезентативных показателей состояния природных ресурсов.

Получен список наиболее репрезентативных показателей состояния, характерных для Подольского района Московской области, основанных на данных по загрязнению территории. Выполнено ранжирование факторов воздействия по их влиянию на исследуемый регион.

Описан процесс работы методики с геоинформационными системами (ArcView) через отдельную СУБД (MS Access).

Проведен анализ полученных результатов. Намечены пути дальнейшего развития данного исследования.

В заключении диссертационной работы описаны основные результаты проведенного исследования, проведен их анализ и сделаны итоговые выводы.

4.6. Выводы.

1. Проведен сбор и подготовка исходных данных для контрольного примера апробации методики выделения наиболее репрезентативных показателей состояния природных ресурсов интенсивно развивающихся территорий на территорию Подольского района Московской области.

2. Проведена актуализация данных по показателям состояния природных ресурсов путем прогнозирования на текущий момент времени.

3. Апробирована методика выделения наиболее репрезентативных показателей состояния природных ресурсов интенсивно развивающихся территорий, получен итоговый граф наиболее репрезентативных показателей, а также составлена таблица ранжирования факторов воздействия.

4. Исходя из полученной таблицы ранжирования факторов, был сделан вывод о том, что на территории Подольского района Московской области основными негативными показателями состояния среды региона стали показатели, формирующиеся под воздействием антропогенных факторов — легкой и химической промышленности, а также цветной и черной металлургии.

5. Установлено, что предложенная методика выделения наиболее репрезентативных показателей состояния природных ресурсов интенсивно развивающихся территорий дает адекватный результат.

6. Предложены дальнейшие пути усовершенствования разработанной методики, основными из которых являются:

Возможность использования величины влияния фактора на показатель.

Автоматическая оценка необходимых данных для более точных расчетов.

Соотнесение полученных результатов с ГИС-картами расположения источников загрязнения территории.

Заключение

.

Диссертационная работа посвящена вопросу выделения наиболее репрезентативных показателей на основе графоаналитической модели при геоинформационном моделировании экологического состояния территорий.

В работе показана необходимость использования комплексной оценки для определения экологического состояния региона, в роли которой выступает природно-ресурсный потенциал интенсивно развивающихся территорий. Для моделирования и картографического отображения природно-ресурсного потенциала территорий целесообразным является использование геоинформационных систем, осуществляющих хранение, отображение, анализ и прогнозирование эколого-географической информации.

В работе проведен анализ отечественной и зарубежной литературы, посвященной вопросам комплексной оценки экологического состояния территорий и использованию для этих целей средств геоинформационных систем.

Выявлены преимущества и недостатки разработанных ГИС для интегральной оценки экологического состояния территорий.

В работе проведен анализ различных показателей состояния природных ресурсов, влияющих на природно-ресурсный потенциал интенсивно развивающихся территорий. Рассмотрены факторы, воздействующие на исследуемую территорию, проведен анализ их воздействия на различные экосистемы.

Дана характеристика математическим методам анализа данных, применение которых возможно для отбора наиболее репрезентативных показателей состояния природных ресурсов интенсивно развивающихся территорий средствами геоинформационных систем. Проанализированы возможности их использования, выявлены достоинства и недостатки. На основе анализа сделан вывод о необходимости поиска новых методов, способных эффективно решать задачу отбора наиболее репрезентативных показателей состояния природных ресурсов при геоинформационном моделировании экологического состояния территорий.

Проведен анализ современных методов анализа данных, основанных на графах, выявлена возможность их применения в задаче геоинформационного моделирования природно-ресурсного потенциала интенсивно развивающихся территорий.

Проведен анализ методов прогнозирования значений показателей состояния природных ресурсов в геоинформационных системах. Сделан вывод о необходимой точности и скорости расчетов. В качестве наиболее удобного для использования в исследовании выбран метод наименьших квадратов.

Разработана методика выделения наиболее репрезентативных показателей на основе графоаналитической модели при геоинформационном моделировании экологического состояния территорий.

Проведена апробация разработанной методики на данных по показателям состояния природных ресурсов Подольского района Московской области.

Получен ранжированный список факторов, оказывающих наибольшее воздействие на экосистемы региона, который можно использовать в качестве рекомендации для снижения загрязняющих выбросов и улучшения экологической ситуации в исследуемом регионе.

Теоретическая значимость работы.

Описан способ использования графовых методов для решения задач выделения эколого-географических показателей состояния природных ресурсов в геоинформационных системах.

Разработана методика выделения наиболее репрезентативных показателей состояния на основе графоаналитической модели при геоинформационном моделировании экологического состояния территорий.

Практическая значимость работы.

1. Предложенная методика, основанная на методах анализа графов, при добавлении в стандартные возможности геоинформационных систем существенно сокращает затраты на комплексный анализ экологических данных, что особенно важно при разработке экологических ГИС на крупные промышленные регионы.

2. Полученные результаты позволяют вырабатывать рекомендации по сокращению загрязняющих выбросов и улучшению экологической ситуации интенсивно развивающихся территорий.

3. Материалы диссертации являются отправной точкой для последующих разработок в области геоинформационных систем на основе графоаналитических методов.

В рамках развития данной тематики имеет смысл дальнейшее исследование возможного применения методов анализа графов для решения различных задач в геоинформационных системах. Методы анализа графов открывают широкие перспективы анализа геоэкологической информации, хранящейся в ГИС.

Важной задачей также является усовершенствование применения разработанной методики. Создание удобного для пользователей интерфейса, автоматизированного приложения для составления отчетов и рекомендаций.

Для получения хороших результатов работы методики большое значение имеет качество исходных данных. Разработка специального приложения для хранения информации по показателям состояния природных ресурсов интенсивно развивающихся территорий является актуальной задачей для решения проблем экологической ситуации региона. При наличии достоверных эколого-геохимических данных за предыдущие годы и на текущий момент времени имеется возможность точного и качественного их анализа и выработки соответствующих рекомендаций.