Экология ГИС

Введение 

Информационные системы 

Понятие о Геоинформационной системе (ГИС) 

Программное обеспечение  ГИС 

Геоинформационные системы в экологии  

Проект МЭМОС 

Список литературы 

Введение 

Информационные технологии служат прежде всего цели экономии ресурсов путем поиска и последующего использования информации для повышения эффективности человеческой деятельности. В настоящее время исследования по охране окружающей среды ведутся во всех областях науки и техники различными организациями и на различных уровнях, в том числе и на государственном. Однако информация по этим исследованиям характеризуется высокой рассеянностью. 

Большие объемы экологической  информации, данные многолетних наблюдений, новейшие разработки разбросаны по различным  информационным базам или даже находятся  на бумажных носителях в архивах, что не только затрудняет их поиск, использование, но и приводит к сомнению в достоверности данных и эффективном  использовании средств, выделяемых на экологию из бюджета, иностранных  фондов или коммерческими структурами. 

Вторым моментом, обуславливающим необходимость  информатизации, является проведение постоянного мониторинга за фактическим  состоянием окружающей среды, уплатой  налогов, проведением экологических  мероприятий. Необходимость контроля возникла с принятием платы за загрязнение еще с 1992г, когда обнаружились такие проблемы, как переиндексация платежей в связи с инфляцией, неуплата за загрязнение воз уха, «уход» от экологических платежей, обусловленные отсутствием необходимой технической базы для своевременного контроля за исполнением норм закона. 

Благодаря автоматизированным мониторинговым системам контроль за природоохранной деятельностью становится более эффективным, поскольку постоянное наблюдение позволяет не только следить за правильностью выполнения закона, но и вносить в него поправки соответственно фактическим условиям экологической и социально-экономической обстановки. 

На рубеже двух тысячелетий  проблема взаимоотношения человеческого  общества с окружающей средой приобрела  острый характер. За последние десятилетия  возрос риск возникновения крупных  экологических катастроф, вызываемых человеком и возникающих вследствие защитной реакции природы. 

Природные и антропогенные  экологические катастрофы имеют  исторический аспект. Различные природные  катастрофы, такие как наводнения и лесные пожары, существовали на протяжении всей истории нашей планеты. Однако с развитием современной цивилизации  возникли катастрофы нового типа, включающие опустынивание, деградацию земельных  ресурсов, пылевые бури, загрязнение  Мирового океана и др. Начало XXI столетия остро ставит задачи оценки риска  экологических катастроф, принятия мер по их предотвращению. Другими  словами, актуальной стала задача управления экологическими катастрофами. А это  возможно при наличии необходимого информационного обеспечения о  прошлом, текущем и будущем состоянии  объектов окружающей среды, включая  природные, природно-техногенные и  антропогенные системы. 

Информационные системы 

Современные информационные технологии предназначаются для  поиска, обработки и распространения  больших массивов данных, создания и эксплуатации различных информационных систем, содержащих базы и банки  данных и знаний. 

В широком смысле слова, информационная система - это  система, некоторые элементы которой  являются информационными объектами (тексты, графики, формулы, сайты, программы  и пр.), а связи носят информационный характер. 

Информационная система, понимаемая в более узком смысле, - это система, предназначенная для  хранения информации в специальным образом организованной форме, снабженная средствами для выполнения процедур ввода, размещения, обработки, поиска и выдачи информации по запросам пользователей. 

Важнейшими подсистемами автоматизированных информационных систем являются базы и банки данных, а  также относящиеся к классу систем искусственного интеллекта экспертные системы. Отдельно следует рассмотреть  геоинформационные системы, как одни из наиболее развитых глобальных АИС в экологии на данный момент. 

Понятие о Геоинформационной системе (ГИС) 

Геоинформационная система (ГИС) - это программно-аппаратный комплекс, решающий совокупность задач по хранению, отображению, обновлению и анализу пространственной и атрибутивной информации по объектам территории. Одна из основных функций ГИС - создание и использование компьютерных (электронных) карт, атласов и других картографических произведений. Берлянт А.М. Картография: Учебник для вузов. - М.: Аспект Пресс, 2001. - 336 с. Основой любой информационной системы служат данные. Данные в ГИС подразделяются на пространственные, семантические и метаданные. Пространственные данные - данные, описывающие местоположение объекта в пространстве. Например, координаты угловых точек здания, представленные в местной или любой другой системе координат. Семантические (атрибутивные) данные - данные о свойствах объекта. Например, адрес, кадастровый номер, этажность и прочие характеристики здания. Метаданные - данные о данных. Например, информация о том, кем, когда и с использованием какого исходного материала, в систему было внесено здание. Первые ГИС были созданы в Канаде, США и Швеции для изучения природных ресурсов в середине 1960-х годах, а сейчас в промышленно развитых странах существует тысячи ГИС, используемых в экономике, политике, экологии, управлении и охране природных ресурсов, кадастре, науке, образовании и т.д. Они интегрируют картографическую информацию, данные дистанционного зондирования и экологического мониторинга, статистику и переписи, гидрометеорологические наблюдения, экспедиционные материалы, результаты бурения и др. Структурно, муниципальная ГИС представляет собой централизованную базу данных пространственных объектов и инструмент, который предоставляет возможности хранения, анализа и обработки любой информации, связанной с тем или иным объектом ГИС, что сильно упрощает процесс использования информации об объектах городской территории заинтересованными службами и лицами. Также стоит отметить, что ГИС может быть (и должна) интегрирована с любой другой муниципальной информационной системой, использующей данные об объектах городской территории. Например, система автоматизации деятельности комитета по управлению муниципальным имуществом должна использовать в своей работе адресный план и карту земельных участков муниципальной ГИС. Также в ГИС могут храниться зоны, содержащие коэффициенты арендных ставок, которые могут использоваться при расчете арендной платы. В том случае, когда в городе используется централизованная муниципальная ГИС, все сотрудники ОМСУ и городских служб имеют возможность получать регламентированный доступ к актуальным данным ГИС, при этом затрачивая гораздо меньшее время на их поиск, анализ и обобщение. ГИС предназначены для решения научных и прикладных задач инвентаризации, анализа, оценки, прогноза и управления окружающей средой и территориальной организацией общества. Основу ГИС составляют автоматизированные картографические системы, а главными источниками информации служат различные геоизображения. Геоинформатика - наука, технология и производственная деятельность: 

- по научному обоснованию,  проектированию, созданию, эксплуатации  и использованию географических  информационных систем; 

- по разработке  геоинформационных технологий; 

- по прикладным  аспектам или приложениям ГИС  для практических или геонаучных целей. Дьяченко Н.В. Использование ГИС-технологий 

Программное обеспечение  ГИС 

Программные обеспечения  ГИС делятся на пять основных используемых классов. Первый наиболее функционально  полный класс программного обеспечения - это инструментальные ГИС. Они могут быть предназначены для самых разнообразных задач: для организации ввода информации (как картографической, так и атрибутивной), ее хранения (в том числе и распределенного, поддерживающего сетевую работу), отработки сложных информационных запросов, решения пространственных аналитических задач (коридоры, окружения, сетевые задачи и др.), построения производных карт и схем (оверлейные операции) и, наконец, для подготовки к выводу на твердый носитель оригинал-макетов картографической и схематической продукции. Как правило, инструментальные ГИС поддерживают работу, как с растровыми, так и с векторными изображениями, имеют встроенную базу данных для цифровой основы и атрибутивной информации или поддерживают для хранения атрибутивной информации одну из распространенных баз данных: Paradox, Access, Oracle и др. Наиболее развитые продукты имеют системы run time, позволяющие оптимизировать необходимые функциональные возможности под конкретную задачу и удешевить тиражирование созданных с их помощью справочных систем. Второй важный класс - так называемые ГИС-вьюверы, то есть программные продукты, обеспечивающие пользование созданными с помощью инструментальных ГИС базами данных. Как правило, ГИС-вьюверы предоставляют пользователю (если предоставляют вообще) крайне ограниченные возможности пополнения баз данных. Во все ГИС-вьюверы включается инструментарий запросов к базам данных, которые выполняют операции позицирования и зуммирования картографических изображений. Естественно, вьюверы всегда входят составной частью в средние и крупные проекты, позволяя сэкономить затраты на создание части рабочих мест, не наделенных правами пополнения базы данных. Третий класс - это справочные картографические системы (СКС). Они сочетают в себе хранение и большинство возможных видов визуализации пространственно распределенной информации, содержат механизмы запросов по картографической и атрибутивной информации, но при этом существенно ограничивают возможности пользователя по дополнению встроенных баз данных. Их обновление (актуализация) носит цикличный характер и производится обычно поставщиком СКС за дополнительную плату. Четвертый класс программного обеспечения - средства пространственного моделирования. Их задача - моделировать пространственное распределение различных параметров (рельефа, зон экологического загрязнения, участков затопления при строительстве плотин и другие). Они опираются на средства работы с матричными данными и снабжаются развитыми средствами визуализации. Типичным является наличие инструментария, позволяющего проводить самые разнообразные вычисления над пространственными данными (сложение, умножение, вычисление производных и другие операции). 

Пятый класс, на котором  стоит заострить внимание - это  специальные средства обработки  и дешифрирования данных зондирований земли. Сюда относятся пакеты обработки  изображений, снабженные в зависимости  от цены различным математическим аппаратом, позволяющим проводить операции со сканированными или записанными  в цифровой форме снимками поверхности  земли. Это довольно широкий набор операций, начиная со всех видов коррекций (оптической, геометрической) через географическую привязку снимков вплоть до обработки стереопар с выдачей результата в виде актуализированного топоплана. Кроме упомянутых классов существует еще разнообразные программные средства, манипулирующие с пространственной информацией. Это такие продукты, как средства обработки полевых геодезических наблюдений (пакеты, предусматривающие взаимодействие с GPS-приемниками, электронными тахометрами, нивелирами и другим автоматизированным геодезическим оборудованием), средства навигации и ПО для решения еще более узких предметных задач (изыскания, экология, гидрогеология и пр). Естественно, возможны и другие принципы классификации программного обеспечения: по сферам применения, по стоимости, поддержке определенным типом (или типами) операционных систем, по вычислительным платформам (ПК, рабочие Unix-станции) и т д. Стремительный рост количества потребителей ГИС-технологий за счет децентрализации расходования бюджетных средств и приобщения к ним все новых и новых предметных сфер их использования. Если до середины 90-х годов основной рост рынка был связан лишь с крупными проектами федерального уровня, то сегодня главный потенциал перемещается в сторону массового рынка. Это мировая тенденция: по данным исследовательской фирмы Daratech (США), мировой рынок ГИС для персональных компьютеров в настоящий момент в 121,5 раза опережает общий рост рынка ГИС-решений. Массовость рынка и возникающая конкуренция приводят к тому, что потребителю за ту же или меньшую цену предлагается все более качественный товар. Так, для ведущих поставщиков инструментальных ГИС стала уже правилом поставка вместе с системой и цифровой картографической основы того региона, где распространяется товар. Да и сама приведенная классификация ПО стала реальностью. Еще буквально два-три года назад функции автоматизированной векторизации и справочных систем можно было реализовать только с помощью развитых и дорогостоящих инструментальных ГИС (Arc/Info, Intergraph). Прогрессирующая тенденция к модульности систем, позволяющая оптимизировать затраты для конкретного проекта. Сегодня даже пакеты, обслуживающие какой-либо технологический этап, например векторизаторы, можно приобрести как в полном, так и в сокращенном наборе модулей, библиотек символов и т.п. Выход целого ряда отечественных разработок на "рыночный" уровень. Такие продукты, как GeoDraw / GeoGraph, Sinteks / Tri, GeoCAD, EasyTrace, обладают не только значительным количеством пользователей, но и имеют уже все атрибуты рыночного оформления и поддержки. В российской, геоинформатике есть некая критичная цифра работающих инсталляций - пятьдесят. Как только вы ее достигли, дальше есть только два пути: или резко вверх, наращивая число своих пользователей, либо - уход с рынка из-за невозможности обеспечить необходимую поддержку и развитие своему продукту. Интересно, что все упомянутые программы обслуживают нижний ценовой уровень; другими словами, в них найдено оптимальное соотношение между ценой и напором функциональных возможностей именно для российского рынка. 

Геоинформационные системы в экологии и природопользовании 

Географические информационные системы (ГИС) появились в 60-х годах XX века как инструменты для отображения  географии Земли и расположенных  на ее поверхности объектов. Сейчас ГИС представляют собой сложные  и многофункциональные инструменты  для работы с данными о Земле. 

Возможности, предоставляемые  пользователю ГИС: 

работа с картой (перемещение и масштабирование, удаление и добавление объектов); 

печать в заданном виде любых объектов территории; 

вывод на экран объектов определенного класса; 

вывод атрибутивной информации об объекте; 

обработка информации статистическими методами и отображение  результатов такого анализа непосредственным наложением на карту 

Так, с помощью  ГИС специалисты могут оперативно спрогнозировать возможные места  разрывов трубопроводы, проследить на карте пути распространения загрязнений  и оценить вероятный ущерб  для природной среды, вычислить  объем средств, необходимых для  устранения последствий аварии. С  помощью ГИС можно отобрать промышленные предприятия, осуществляющие выбросы  вредных веществ, отобразить розу ветров и грунтовые воды в окружающей их местности и смоделировать  распространение выбросов в окружающей среде. 

В 2004г. президиумом  Российской академии наук было принято  решение о проведении работ по программе «Электронная Земля», суть которой заключается в создании многопрофильной геоинформационной системы, характеризующей нашу планету, практически - цифровой модели Земли. 

Зарубежные аналоги  программы «Электронная Земля» можно  подразделить на локальные (централизованные, данные хранят на одном сервере) и  распределенные (данные хранятся и  распространяются различными организациями  на разных условиях). 

Безусловным лидером  в создании локальных баз данных является ESRI (Environmental Systems Research Institute, Inc., США) Сервер ArcAtlas “Our Earth” содержит более 40 тематических покрытий, которые широко используются во всем мире. Практически все картографические проекты масштаба 1:10 000 000 и более мелких масштабов создаются с его использованием. 

Наиболее серьезным  проектом по созданию распределенной базы данных является «Цифровая Земля» (Digital Earth). Этот проект был предложен вице-президентом США Гором в 1998г., основным исполнителем является NASA. В проекте участвуют министерства и государственные ведомства США, университеты, частные организации, Канада, Китай, Израиль и Европейский союз. Все проекты распределенных баз данных испытывают серьезные трудности в вопросах стандартизации метаданных и совместимости отдельных ГИС и проектов, созданных разными организациями с применением разного программного обеспечения.