XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Наблюдения за экологическим состоянием окружающей среды и, в частности, атмосферного воздуха велись в нашей стране многие годы, однако делалось это, в основном, в ручном или полуавтоматическом режиме (отбор проб воздуха – транспортировка в лабораторию – выполнение анализов – запись в журнал – оформление отчетных документов – доведение информации до заинтересованных сторон), что не позволяло получать и использовать данные мониторинга в режиме реального времени [1].

Все методы наблюдения и контроля за состоянием окружающей среды подразделяются:

– традиционные (без участия компьютерных систем);

– с помощью компьютерных технологий.

Средства экологического наблюдения и контроля подразделяются на:

– контактные;

– неконтактные (дистанционные);

– биологические;

Контактные методы контроля состояния окружающей среды представлены как классическими методами химического анализа, так и современными методами инструментального анализа [2]. Классификация контактных методов контроля приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структура контактных методов наблюдения и контроля за загрязнением окружающей среды

Наиболее применяемыми являются спектральные, электрохимические и хроматографические методы анализа объектов окружающей среды.

Неконтактные методы наблюдения и контроля представлены двумя основными группами методов: аэрокосмическими и геофизическими.

Также, особую роль в системе экологического мониторинга играет биологический мониторинг, то есть мониторинг биотической составляющей экосистем (биоты). Главный метод биологического мониторинга – биоиндикация, которая заключается в регистрации любых изменений в биоте, вызванных антропогенными факторами.

Современные средства экологического мониторинга и обеспечивающие их информационно-управляющие системы представляют собой сложные многофункциональные многорежимные распределенные системы [3]. В таких системах осуществляется совместная обработка сложно организованных данных и знаний. Они должны разрабатываться на основе современных информационных технологий, которые обеспечили бы им существенное повышение уровня информационной и интеллектуальной поддержки. Проблемы информатизации при решении экологических задач принимают фундаментальный характер в связи с широким применением локальных и глобальных вычислительных сетей.

В экоинформационной системе можно выделить три уровня [4], ориентированные на решение различных задач экологического мониторинга и отличающиеся по методам работы с экологической информацией. Верхний уровень составляют программные модули для поддержки принятия решений, средний – программное обеспечение, позволяющее провести системный анализ информации о состоянии окружающей среды, а нижний – модули обработки первичной экологической информации. На нижнем уровне экоинформационной системы для хранения данных о состоянии окружающей среды используются различные системы управления базами данных (далее – СУБД), а для обработки результатов наблюдений используются различные программные продукты – электронные таблицы, пакеты прикладных программ типа MathCAD, Surfer и многие другие. Такое разнообразие программного обеспечения обусловлено громадным числом разноплановых задач обработки результатов наблюдений за состоянием окружающей среды, полученных с помощью локальных и дистанционных методов экологического мониторинга.

На среднем уровне экологической информационной системы для анализа информации о состоянии окружающей среды используются географические информационные системы (далее – ГИС). Подобные системы, обеспечивая ввод, хранение, обновление, обработку, анализ и визуализацию всех видов географически привязанной информации, позволяют систематизировать выдачу такой информации для управления природными ресурсами, реализуя опыт, накопленный специалистами в этой области.

Также, основу организационной структуры экологического мониторинга составляет автоматизированная информационная система (далее – АИС), которая создаётся на базе компьютерных средств. Задачами АИС мониторинга являются:

– хранение и поиск режимной информации о состоянии окружающей среды;

– целенаправленная постоянная обработка и оценка информации;

– выполнение перманентных прогнозов развития и состояния окружающей среды;

– решение оптимизационных задач по экологическому управлению.

Отсюда следует и сама структура АИС мониторинга которая состоит из четырёх взаимосвязанных основных блоков, представленных на рисунке 2 [5]. Каждый из блоков направлен на решение одной из перечисленных выше задач.

Рисунок 2 – Структура АИС мониторинга

Первый блок АИС состоит из автоматизированной информационно-поисковой системы (АИПС). Эта система представляет собой базу данных, реализованную с помощью ЭВМ. В систему АИПС из наблюдательной сети поступают все первичные данные об объекте мониторинга (в том числе и данные режимных наблюдений), они накапливаются в базе данных, предварительно обрабатываются, сортируются и используются затем во всех последующих операциях по оценке и прогнозу состояния экосистем.

Вторым блоком АИС является автоматизированная система обработки данных (далее – АСОД). Эта система проводит целенаправленную обработку и оценку поступающей информации по мониторингу экосистем.

Третий блок АИС представляет собой автоматизированную прогнозно-диагностическую систему (далее – АПДС). С помощью этого блока решаются все вопросы по составлению перманентных (т.е. непрерывно продолжающихся, повторяющихся) прогнозов в соответствии с функциональной схемой мониторинга. Этот блок реализуется с помощью геоинформационных технологий (ГИС-технологий).

Четвёртый блок составляет автоматизированная система управления (далее – АСУ), направленная на решение задач по управлению и разработке рекомендаций. Он также практически реализуется с помощью ГИС-технологий.

Все четыре блока АИС связаны друг с другом и образуют единую функционирующую систему. Основным вопросом при организации АИС является её информационное, техническое и математическое обеспечение.

Информационное обеспечение составляет содержательную основу, хранящуюся в базе данных для её последующего анализа, обработки, оценки, многоцелевого поиска, пополнения и выдачи. Данные собираются как из наблюдательных сетей мониторинга, так и из сторонних источников. Поступающая в АИС любая информация должна быть унифицирована, т.е. приведена в вид, удобный для её дальнейшего использования в базе данных.

Первичная информация поступает в АИПС по информационным каналам связи. Из приёмного устройства информация фильтруется, т.е. проходит аппаратурную фильтрацию шумов, и затем подвергается первичной обработке с помощью различных стандартных программ на компьютере. После первичной обработки данных проводится интерпретация информации – наиболее сложный процесс в канале связи. После этого информация попадает в банк данных, где накапливается и используется для последующей обработки.

Техническое обеспечение АИС представляет собой комплекс аппаратурных средств, для хранения и обработки информации, реализуемых на базе персональных компьютеров, а также оборудование информационных сетей и периферийные устройства (принтеры, плоттеры, графопостроители, сканеры, сетевые адаптеры и модемы и др.).

Математическое обеспечение АИС строится на базе следующих блоков программ: поисковые со статистической обработкой данных, прогнозно-диагностические и оптимизационные.

Поисковые программы представляют собой базы данных, каталоги, редакторы текстов, программы графической обработки информации, программы автоматизированного картографирования, проектирования и др.

Особо важную для организации мониторинга группу программных средств представляют компьютерные ГИС. С их помощью осуществляется построение всевозможных картографических моделей. Информация мониторинга заносится в базы данных, а затем в интерактивном режиме составляются цифровые модели карт и другие графические материалы (разрезы, трёхмерные диаграммы, график и т.п.).

Прогнозно-диагностические программы включают в себя различные модели (математические, имитационные и др.). Могут использоваться различные программные системы поддержки и коммерческие программы моделирования (Matlab, пакеты программ имитационного и динамического моделирования).

Таким образом, существующая система мониторинга с ручным отбором проб не отвечает современным требованиям по передаче оперативной информации о загрязнении атмосферы в прогностические центры с целью ее усвоения и обеспечивает измерения только малой доли тех вредных примесей, которые надо прогнозировать.

Под автоматизированной системой управления понимается программный, реализуемый технологический процесс мониторинга как вид интеграции компьютерных технологий. Методы, основанные при помощи компьютерных технологий используются в качестве различных пакетов программных систем.

Список использованных источников

1 Бадалян, Л.Х. Концептуальные основы нормирования эмиссии загрязняющих веществ в атмосферный воздух автотранспортными средствами / Л.Х. Бадалян. – Ростов на Дону : Международный научный журнал «Устойчивое развитие горных технологий», 2011.– 35-41 с.

2 Попов, Н.С. Методы и приборы контроля окружающей среды. Экологический мониторинг: учебное пособие / Н. С. Попов, И.В. Якунина. – Тамбов : Тамбовский гос. технический ун-т, 2009. – 20 с.

3 Экоинформатика. Теория. Практика. Методы и системы. / Под ред. академика РАН В.Е. Соколова. Санкт- Петербург: Гидрометеоиздат, 1992. – 520 с.

4 Горелик, Д.О. Экологический мониторинг. Оптико-электронные приборы и системы / Горелик, Д.О., Конопелько Л.А., Панков Э.Д. – Санкт-Петербург, 1998. – 592 с.

5 Гаскаров, К. Я. Информационная поддержка систем экологического контроля и управления. Санкт-Петербург, 1999. – 146 с.

Код для цитирования: Скопировать