Гл а в а 13 Информационное обеспечение систем экологического мониторинга 427

• развитые средства защиты от сбоев и возможность раздель­ ного доступа к данным нескольких пользователей.

Помимо таблиц в ГИС могут храниться и другие объекты, такие,

как экранные формы, отчеты, представления карт и прикладные про­

граммы, работающие с информацией, размещенной в реляционной базе данных.

Современные ГИС имеют, как правило, собственные реляцион­ ные СУБД, обладающие ограниченной емкостью Поэтому для ре­

шения сложных объемных информационных задач в них предусмот­

рены средства коммуникации для использования внешних баз дан­ ных, например Oracl, SQL-cepвep и др.

Преимущества ГИС заключается в связывании графических

( пространственных) и табличных (атрибутивных) данных и

возможности на этой основе реализации комплексных карто­

графических запросов. При организации связи графических и ат­

рибутивных данных соблюдаются следующие правила:

•связь между объектами карты и записями в таблице атрибу­

тов объектов однозначна (один к одному);

•связь между объектом и записью поддерживается с помощью

уникального идентификатора, присваиваемого каждому объекту,

•уникальный идентификатор физически хранится в двух мес­

тах. в файлах, содержащих пары координат Х, У, и в соответствую­

щей записи в таблице атрибутов объектов.

Такая связь создается и поддерживается в ГИС автоматически. После того, как она установлена, можно обращаться к карте для получения атрибутивной информации или создавать карту на основе атрибутов объектов, хранящихся в таблице.

На основе такой связи в ГИС выполняются также операции про­ странетвеннаго наложения объектов, в результате которого каждый вновь получаемый объект имеет атрибуты обоих исходных наборов

объектов. В этом случае соответствие записей в таблице атрибутов

основывается на положении связанных с каждым атрибутом геогра­ фических объектов.

13_3_ Основные функциональные возможности ГИС

Рассмотренные возможности по организации данных в ГИС по­

казьшают, что геоинформационные технологии имеют определенные

характеристики, которые с полным правом позволяют считать эту

технологию основной для целей обработки и управления информа­

цией В самой концепции ГИС заложены всесторонние возможности

428	Час т ь II Мониторинг и защита окружающей среды

сбора, интеграции и аштиза любых распределенных в пространстве

или привязанных к конкретному месту данных. При необходимости

визуализировать имеющуюся информацию в виде карты с графика­

ми или диаграммами, создать, дополнить или видоизменить базу дан­

ных пространствеиных объектов, интегрировать ее с другими базами

данных единственно верным решением будет обращение к ГИС.

Средства ГИС намного превосходят возможности обычных кар­

тографических систем, хотя, естественно, включают и все основные

функции получения высококачественных карт и планов. В целом

ГИС является компьютеризированной системой управления базами

данных для поиска, хранения, изменения, анализа и пространствен­

нога (локального) отображения определенных данных, т.е. ГИС -

это базы данных и аналитические средства для работы с любой ко­ ординатно привязанной информацией.

Как уже было показано, основой ГИС-технологии является кар­

тографическая информация в единой системе координат (географи­

ческая карта или план) в цифровой форме - географическая база

данных. Такая база данных представляется в виде набора отдельных

тематических карт (слоев), описывающих объекты определенной

территории, которые в совокупности содержат всю необходимую

географическую информацию.

С картографическими объектами (точечными, линейными или

полигональными) в ГИС связывается описательная атрибутивная

информация об особенностях этих объектов, в первую очередь ал­

фавитно-цифровая, иногда также иная графическая (графики, иллю­ страции, схемы), звуковая и др. Такая связь осуществляется через

идентификаторы местоположения - геокоды, которые одновремен­

но присваиваются картографическим объектам и записям в негра­ фической базе данных.

Алфавитно-цифровая информация, как правило, организуется в

виде реляционных баз данных, позволяющих легко управлять ин­

формацией, хранящейся в отдельных файлах данных, объединять различные файлы при решении конкретных задач, не меняя их соб­ ственной структуры, легко наращивать проблемно-ориентированные

блоки базы данных. При этом в ГИС каждому географическому объ­

екту ставится в соответствие строка таблицы - запись в базе дан­

ных Использование такой связи обеспечивает богатые функцио­ нальные возможности ГИС.

В принципе, ГИС можно рассматривать как некое расширение концепции обычных баз данных для координатно привязанной ин­ формации, ГИС представляет собой новый уровень и способ интег-

Г л а в а 13 Информационное обеспечение систем экологического мониторинга 429

	Заnросы
1	1	1
Пространствеиные 1	Неnространственныеl	Моделированные

-1

-i

Что это?

Где это?

~ Среднеезначение 1

1 параметра

нЭксоремальное .1

1	значение параметра

н

н

Запросы вида

"что.. еслиn

Выбор маршрута

следования

автотранспорта

Каков размер

--1 объекта?

J l

н

ч

Сумма Восстановление

'-полей по дискретным

значениям

переменных

Статистика

1

Нормализация

1

Рис 13 5 Типы запросов в ГИС

рации и структурирования информации, особенно в тех сJJучаях, когда интересующая поJJьзователя информация относится к объек­

там, для которых важны их пространствеиное положение, форма и

взаимное расположение. Перечень основных запросов в ГИС пред­ ставлен на рис. 13.5.

Функциональные возможности различаются у разных систем, но любая ГИС имеет, как правило, некоторый базовый набор функций,

в который входят:

•картографический интерфейс для организации запроса к базе

данных (<<Что это?>>),

•средства генерации картографического отчета по запросу к те­

матической базе данных (<<Где это находится?•>);

•пространствеиные запросы о взаимоотношениях между объ­

ектами (<<Что рядом?•>, <<Какой путь короче?>>, «С какими объек­

тами связан, граничит данный объект?•>, «Положение каких

объектов в пространстве пересекается и насколько?•>);

• оверлейные операции, использующие в разных вариантах про­

странетвенвое наложение одного множества объектов на другое.

Геоинформационные системы обладают широким набором

средств математического моделирования, которые охватывают ряд

областей, ранее не объединявшихся для совместной обработки ин­

формации. Математическое моделирование в ГИС включает: постро-

430	Час т ь !1. Мониторинг и защита окружаJQщей среды

ение проекта карты на основе методологии САПР; проекционные

преобразования; геометрический анализ (определение расстояний,

длин ломаных линий, расчет площадей, поиск точек пересечения

линий и др.); построение буферных зон; анализ сетей; преобразова­

ние форм представления данных, в том числе широкие возможности интерполяции, например, пострt>ение непрерывных полей по дис­ кретным значениям переменных; цифровое моделирование рельефа.

Современные ГИС тесно связаны с графическими средствами САПР, например такими, как AutoCad, мощными реляционными

СУБД (Oracl, SQL-cepвep и др.), пакетами обработки аэро- и косми­

ческих снимков, пакетами статистического анализа и обработки дан­ ных, что делает их еще более привлекательными с точки зрения пре­ емственности и развития функциональных возможностей ранее со­

зданных информационных систем.

Сейчас ГИС существуют практически на всех компьютерных

платформах - от переанальных компьютеров под управлением MS DOS до рабочих станций под управлением UNIX. Среди известных

на российском рынке геоинформационных систем различают инстру­

ментальные пакеты ГИС общего назначения и специализирован­

ные (например, ориентированные на решение транспортных или гра­ достроительных задач).

Инструментальные пакеты программнога обеспечения в отличие

от жестко функциональных систем позволяют настраивать систему

с учетом особенностей работы, вида информации, методов ее обра­

ботки, хранения, представления. Большинство инструмеmальных

пакетов состоит из серии модулей, обеспечивающих, с одной сторо­ ны, определенную свободу выбора технологии обработки информа­ ции, а с другой - решение достаточно общих задач:

•оцифровка карт;

•обмен данными в различных форматах;

•работа с точечными, линейными и площадными объектами;

•поддержка топологических взаимоотношений между объектами;

•поддержка нескольких картографических проекций;

•работа с реляционными базами данных;

•оверлейные операции с наложением карт;

•управление визуализацией карт на дисплее;

•интерактивное графическое редактирование;

•геометрические измерения на карте;

•поиск объектов по их адресам;

•анализ линейных сетей с их оптимизацией;

•интерполяция и экстраполяция данных;

Гл а в а 13. Информационное обесnечение систем экологического мониторинга 431

•ответы на широкий набор запросов;

•построение буферных зон вокруг объектов;

•создание собственной символики;

•создание дополнительных элементов оформления карт (под­

писи, рамки, легенды);

вывод высококачественных твердых копий карт и других доку­

ментов.

В настоящее время более 100 организаций и фирм распростра­

няет в России отечественные и зарубежные системы для создания

ГИС-технологий. Эти системы различаются как назначением, функ­

циональными возможностями, так и требуемыми вычислительными

ресурсами и стоимостью. Большинство инструментальных систем

ориентированы на использование РС.

В зависимости от широты спектра предоставляемых возможнос­ тей ГИС общего назначения разделяются на полнофункциональные

системы и системы картографической визуализации. Системы

картографической визуализации, называемые иногда также настоль­

ными или переанальными геоинформационными системами, обла­

дают меньшей сложностью и стоимостью, ориентированы на вы­

числительные ресурсы переанальных компьютеров, что делает их

довольно привлекательными, но в то же время имеют ограниченные

аналитические возможности и слабые возможности редактирования

картографической основы. Полнофункциональные ГИС довольно

сложны, удовлетворительно функционируют в полном объеме толь­

ко на рабочих станциях, однако позволяют создавать на их основе проблеl\шо-ориентированные геоинформационные системы с разви­ тыми средствами пространствеиного анализа. что имеет особую зна­ чимость для городских и муниципальных служб при решении задач

в области экологии.

К наиболее развитым полнофункциональным ГИС относятся про­

граммвые продукты фирмы ESRI США (ARC/INFO), фирмы Micro- statioп США (MGE Intergraph) и несколько менее распространенный

пакет фирмы Siemens Nixdorf Германия (SICAD). Признанным ми­

ровым лидером в области систем обработки аэрокосмических сним­

ков считается система ERDAS Imagine США. Ведущей отечествен­ ной ГИС является разработка Московского государственного уни­ верситета, имеющая векторный топологический редактор GeoDraw

и средство композиционного построения цифровых карт и их анали­

за GeoGraph.

В списке настольных ГИС безусловными лидерами являются

программвые средства ARC View (ESRI) и Mapinfo. Вместе с тем

432	Час т ь II. Мониторинг и защита окружающей среды

следует отметить, что постоянное наращивание функциональных

возможностей ARC View, проводимое фирмой ESRI, модульный

принцип построения, простой пользовательский интерфейс в стан­

дарте Windows делают этот пакет программ все более привлекатель­

ным для решения широкого круга задач. В настоящее время ARC View GIS - это мощное средство для создания самостоятельных

проблемно-ориентированных прикладных систем. Он позволяет про­ водить оцифровку карт с использованием дигитайзера, включает в себя объектно-ориентированный язык и среду разработчика прило­

жений Aveпue для работы с пространственно-организованными дан­

ными, позволяет легко создавать и модифицировать базы данных с

алфавитно-цифровой информацией, импортировать данные стан­

дартных форматов dBase, ASCII, Excel, Lotus 1-2-3, использовать

внешние базы данных Oracl, SYBASE, INFORMIX и др., обрабаты­

вает данные в формате ARC/INFO, DXF и других графических фор­

матах, имеет открытый графический формат шейп-файлов и возмож­

ность их редактирования. Система ARC View GIS реализует объект­

но-ориентированный подход к управлению географической инфор­ мацией и позволяет выполнять:

•анализ информации с построением графиков и диаграмм;

•преобразование картографических проекций непосредственно

впроцессе работы с картой;

•комбинации сложного логического и пространственного за­

просов;

•запросы через таблицы, диаграммы и графики.

Кроме того, возможность включения в состав пакета таких до­ полнительных модулей расширения, как Network, Spatial Analyst и

другие, позволяет выполнять сложный анализ линейных сетей, мо­

делировать рельеф, восстанавливать непрерывные поля по резуль­

татам измерений, проводить многокритериальную оценку данных.

Таким образом, система ARC View GIS все более приближается по

своим функциям к возможностям полнофункциональных систем, со­ храняя при этом все преимущества настольной ГИС. Названные до­

стоинства ARC View GIS определяют широкое применение этой сис­

темы для решения задач муниципального управления, градострои­

тельства, экологии Например, на ее основе создается ГИС монито­

ринга лесных пожаров России [4]; ARC View GIS выбрана в качестве

основы для создания информационной системы экологического мо­

ниторинга г. Москвы, эта система применяется также в информа­

ционной системе МЧС России [5].

Гл а в а 13 Информационное обеспечение сис.тем экологического мониторинга 433

13.4. Структура ГИС единого экологического

мониторинга региона

Система единого экологического мониторинга (ЕЭМ) является

основным инструментом для решения проблем взаимодействия че­ ловека и окружающей среды, ресурса- и энергосбережения, рацио­

нального природопользования, особенно в промышленно развитых

районах с напряженной экологической обстановкой, для реализации концепции обеспечения экологической безопасности жизнедеятель­ ности на глобальном, региональном и объектовом уровнях, имеющей

много аспектов: от философских и социальных до медика-биологи­

ческих, экономических и инженерно-технических. Центральным

звеном системы ЕЭМ, во многом определяющим ее эффективное

функционирование, является информационная система.

Рассмотрим принципы построения ГИС ЕЭМ для региона го­

родского типа. Для реализации комплексного подхода к решению задачи обеспечения экологической безопасности она в общем слу­

чае должна содержать следующие взаимосвязанные структурные

звенья:

•базы и банки данных экологической, правовой, медика-биоло­ гической, санитарно-гиrиенической, технико-экономической на­ правленностей;

•блок моделирования и оптимизации промышленных объектов;

•блок восстановления по данным измерений и прогноза рас­ пространения полей экологических и метеорологических факторов;

•блок принятия решений.

Для административных органов регионального управления можно выделить ряд функций, по которым возникает необходимость информационной поддержки принимаемых решений в области эко­ логической безопасности жизнедеятельности населения, рациональ­

ного энергопользования и энергосбережения. К таким функциям

можно отнести:

•отчетность о результатах выполнения работ в рамках соци­

ально-экологического состояния региона и мерах по его улучшению;

•контроль текущего состояния окружающей среды, превыше­

ния предельно допустимых концентраций вредных и тому подобных веществ на подведомственной территории;

•планирование (годовое, квартальное) программ социального

развития, изучения качества жизни населения, повышения экологи­

ческой безопасности жизнедеятельности населения в регионе;

434	Час т ь 11 Мониторинг и защита окружающей среды

• управление в повседневной административной деятельности

(разбор претензий, жалоб и конфликтов с юридическими и физичес­

кими лицами).

Для выполнения вышеперечисленных функций требуется полная

и достоверная информация Потоки информации, необходимой для

адекватной оценки складывающейся ситуации и принятия управля­ ющих или корректирующих решений, проходят разные стадии: по­ лучение, обработка и отображение информации, оценка ситуации и

принятие решений. Столь многофункциональная система с больши­ ми объемами географически привязанной информации может быть

эффективно реализована только с применением рассмотренных

выше современных геоинформационных технологий.

Комплексность экологических проблем, связывая воедино зада­

чи, решаемые разными специалистами, требует системного подхода

к их решению, проявляющегося в конкретных действиях специалис­

тов каждой отрасли. Структура информационного обеспечения сис­

темы экологического мониторинга отражает эту специфику. По

функциональному назначению его целесообразно разделить на про­

блемно-ориентированные блоки (или применительно к терминоло­ гии ГИС-слои) информации отдельных региональных служб, вклю­

чая архитектурно-планировочные, коммунальные, инженерного

обеспечения и др.

Информационное обеспечение системы ЕЭМ должно содержать

следующие тематические слои информации (рис. 13.6).

•общая экологическая характеристика (атмосферный воздух, водоемы, почва, санитарно-эпидемиологические условия и др.);

•источники негативного воздействия на окружающую среду

(выбросы и сбросы, твердые отходы и др.);

•зонирование территорий (объекты производственного назна­

чения, селитебные территории, административные здания и др.);

•система охранных территорий (памятники истории и архитек­ туры, водоохранные зоны и др );

•инженерно-технические и транспортные коммуникации (ма­

гистрали наземного и подземного видов транспорта, теплотрассы,

линии электропередачи и др );

•здравоохранение и социально-бытовые условия;

•нормативные и правовые документы,

•перспективы развития региона

Одним из важнейших элементов системы являются данные об объективном состоянии окружающей среды. Для примера рассмот­

рим структуру баз данных с показателями качества атмосферного

Гл а в а 13	Информационное обеспечение систем экологического мониторинга 435
	ТЕМАТИЧЕСКИЕСЛОИИНФОРМАЦИИ
	Общая экологическая		Источники негативного
характеристика региона			воздействия на окружающую
• Санитарно-эпидемиологические		г-- -	среду
	условия		• Выбросы в атмосферу
	• Атмосферный воздук		• Сбросы сточных вод
• Поверхностные и nодземные воды			• Твердые отходы
	·Почва		• Физическое загрязнение
• Физические воздействия (шум,
теnловое загрязнение, и др )
	• Зеленые насаждения		Система охранных территорий
		-	• Памятники истории и культуры
			• Водоохранные зоны
Зонированиетерриторий			• Охранные зоны инженерных
			коммуникаций
• Объекты производственноrо
	назначения
• Селитебные территории
	• Зеленые насаждения		Инженерно-технические
• Административные здания			и транспортные коммуникации
Объекты коммунального наэначени		r-- -	• Водоnроводы и канализация
• Транспортные предприятия			• Теnлотрассы
	• Научные организации
•			• Электросеть
	Памятники эрихитектуры		• Продуктоnраводы
			• Телефонная сеть
			• Автомагистрали
	Здравоохранение		• Железнодорожные магистрали
и социально-бытовые условия		r--
• Комфортность инфраструктуры
	• Заболеваемость		Перспектины развития региона
		~	• Планы реконструкции
			и строительства новых объектов

Рис 13 6 Тематическая информация в региональной системе ЕЭМ

воздуха. Состояние атмосферного воздуха характеризуется в пер­

вую очередь результатами экспериментального определения нали­

чия в нем тех или иных загрязняющих веществ и их концентраций. Данная информация складывается из результатов периодического пробостборного анализа, проводимого в регионе соответствующими

государственными организациями (например, органами санитарно­ эпидемиологического надзора), и данных, поступающих со стацио­

нарных постов непрерывных экологических наблюдений. Поэтому

картографическая база данных по контролю атмосферы должна со­

держать полную информацию о местах контроля (адрес точек отбо­

ра проб), времени проведения замеров, погодных условиях в момент

забора пробы, концентрации измерявшихся ингредиентов. На осно­ ве такой информации современные ГИС позволяют решать задачи

интерполяции - восстановления непрерывных полей по дискрет­

ным данным, задачи комплексной оценки воздействия на экологи-

436	Час т ь 11 Мониторинг и защита окружающей среды

ческую ситуацию региона полей загрязнений различных ингредиен­

тов и др.

Тематическая информация, касающаяся расположения и конфи­

гурации основных источников загрязнения окружающей среды,

должна быть представлена соответствующими электронными карта­

ми. В связанных с ними таблицах целесообразно хранить общие све­

дения о предприятиях региона (название, адрес, администрация и т.д.). Такие базы данных в совокупности с соответствующими кар­

тами позволяют получать ответы на следующие запросы:

•что представляет собой объект, выделенный на карте;

•где он расположен;

•какие объекты выбрасывают определенные вредные вещества;

•какие предприятия выбрасывают данное вредное вещество в

объеме больше заданного;

•какие вещества выбрасывает данное предприятие и в каком объеме;

•какие предприятия превышают нормативы ПДВ;

•у какого предприятия просрочено действие разрешения на вы-

брос;

у какого предприятия задолженность по выплатам за выбросы

в атмосферу.

Данные об инженерно-технических и транспортных коммуника­ циях должны храниться в ГИС ЕЭМ также в виде соответствующих карт и тематических баз данных. Следует отметить, что для инже­ нерно-технических коммуникаций целесообразно иметь в базе дан­

ных и дополнительную графическую информацию в виде схем, чер­

тежей и пояснительных документов, необходимых для их безопас­

ной эксплуатации (ГИС предоставляет широкие возможности для

работы с такой информациеИ).

В базах данных по транспортным магистралям должны содер­

жаться такие экологические показатели, как интенсивность движе­

ния, спектр и объем вредных выбросов на единицу длины, виброа­

кустические данные и др. Очевидно, что названные показатели

изменяются на разных участках магистрали. Поэтому при картиро­

вании магистрали представляются в виде совокупности взаимосвя­

занных дуг, каждой из которых в базе данных ставятся в соответст­

вие ее характеристики. В целом графические и тематические базы

данных по транспортным магистралям должны обеспечивать выпол­

нение запросов:

• какое количество заданного вредного вещества выбрасывает­ ся по всей длине транспортной магистрали,

Гл а в а 13 Информационное обеспечение систем экологического мониторинга 437

•на какой магистрали выбрасывается максимальное количест­

во определенного вредного вещества или всех веществ вместе;

• каково общее количество транспортных единиц, следующих по заданной магистрали или количество транспортных единиц за­

данного вида;

• какая магистраль (или участок какой магистрали) является

наиболее нагруженной в транспортном отношении.

Изображение автомобильных магистралей на карте линиями

различной ширины в зависимости от интенсивности движения

транспорта по ним или объема выбросов загрязняющих веществ

автомобилями на различных участках магистралей упрощает анализ

транспортной ситуации, а одновременное использование базы дан­

ных позволяет получить любую интересующую пользователя инфор­

мацию.

Дополнительные возможности для анализа экологической си­

туации предоставляют оверлейные операции по наложению слоев информации в ГИС. Так, одновременный вывЬд на экран полей

концентрации оксида углерода, построенных по результатам ее из­

мерений, и выбросов этого загрязнителя вдоль транспортных маги­ стралей позволяет сделать вывод об источнике экологической опас­

ности и принять соответствующие меры по ее устранению

Кроме распространенных баз данных в системе информационно­ го обеспечения ЕЭ~ особое значение имеет блок моделирования

распределения полей концентрации загрязняющих веществ на осно­

ве общих показателей работы промышленных объектов или других

источников загрязнения и степени их воздействия на ОС. Такие рас­

четы необходимы при анализе неблагополучной экологической си­

туации в регионе для выявления ее виновников (вместе с анализом

данных прямых измерений или вместо них, когда их получение не

представляется возможным) или при прогнозировании экологичес­

кой обстановки при вводе в действие или реконструкции тех или иных источников антропогенного воздействия на окружающую

среду и определении размера затрат на уменьшение количества

вредных выбросов в окружающую среду. Точность моделирования текущей ситуации в этом случае, как правило, невелика, но доста­ точна для выявления очагов загрязнения и выработки адекватного

управляющего воздействия на технологическом и экономическом

уровнях. В настоящее время существует ряд методик и самостоя­

тельных программных средств (не входящих в состав ГИС), позво­

ляющих определять поля концентраций загрязняющих веществ по результатам решения уравнений, описывающих с той или иной сте-