Изучение пространственно-временной, а именно горизонтальной и временной неоднородности распределения загрязнителей в приземных слоях атмосферы для целей зонирования территории, выявления районов экологической напряженности, выбора точек мониторинга, экологического обоснования рационального размещения новых предприятий, требует разработки специализированных модулей пространственного анализа экологического состояния территории в геоинформационной системе (ГИС).

Применение оверлейных операций ГИС является достаточно мощным средством анализа, включающим совместную аналитическую обработку [1] нескольких разноименных слоев с использованием логических операций и генерацией возникающих при этом производных слоев. Применяемые здесь алгоритмы ориентированы на максимальное уменьшение затрат машинного времени при расчете показателей экологического состояния, экспоненциально возрастающих при росте объектового объема обрабатываемых слоев.

Целью работы является создание модулей пространственно анализа с применением оверлейных операций ГИС для оценки качества атмосферного воздуха городской территории  (на примере г. Биробиджана).

Для достижения поставленной цели необходимо разработать инвентаризационные базы данных: источников загрязнения, представленные промышленными предприятиями, автомобильным транспортом и многочисленными источниками неорганизованных выбросов частного сектора.

Особенность структур баз данных (БД) определяется разнохарактерностью исходных данных [2,3], которые можно разделить на переменные, постоянные, условно-переменные:

·         массивы постоянных данных: реестр загрязнителей, их свойства, параметры источников загрязнения, климатические условия, коэффициенты самоочищения атмосферы;

·         массивы переменных данных: объемы выбросы загрязнителей (годовые, сезонные или ежемесячные);

·         массивы условно постоянных данных: время работы источника, изменения в реестре и объемах поллютантов.

Информация БД должны быть интегрированы функциональные модули ГИС, включающие алгоритмы построения регулярной сети и обобщения расчетных количественных и качественных данных загрязнения атмосферного воздуха по каждому источнику загрязнения, с соответствующим нормированием показателей по степени загрязнения по превышению ПДК [4].

На основе выделенных данных и возможностью интеграции с ГИС, реализована БД промышленных предприятий, включающая характеристики источников загрязнения, объемы выбросов поллютантов и их свойства (рис.1).

Рис. 1. Логическая структура БД источников загрязнения

Для связи между табличными и картографическими данными использовалось два вида ключей: – тематический и – географический. Первичный ключ содержит соотношения данных различных таблиц: например, предприятия – источники загрязнения, поллютанты – объемы выбросов, номер источника – его параметры. Это позволяет создавать запросы на получение пользователем справочной информации. С помощью вторичного ключа в БД переносится информация с электронных карт. При выделении картографического объекта происходит связывание информации о его пространственном расположении с информацией о нем, хранящейся в БД.  Структура   БД позволяет в любой момент развернуть любой из привязанных к ключу атрибутов в слой с размерностью исходной регулярной сетки пространственных объектов с последующей формализацией пространственно-непрерывной информации, свойственной большинству природных и значительному числу антропогенных объектов.

Регулярная сеть представлена унифицированной графической моделью пространственных объектов, которыми являются операционно-территориальными единицами (ОТЕ). Данные атомарные объекты соответствуют элементарной площадке определенного размера, с координатной привязкой на местности и характеризуются набором переменных атрибутов. Расчет атрибутов происходит с помощью постоянных и условно-переменных данных пространственных точечных объектов источников загрязнения.

Входными данными анализа является регулярная сеть ОТЕ и наборы данных источников загрязнения, полученные из БД на основе картографического ключа MapInfo_ID ГИС MapInfo Professional. Основной проблемой обработки ОТЕ регулярной сети является определение качественных и количественных характеристик одинаково расположенных ОТЕ источников загрязнения, которая решается с использованием оверлейных операций ГИС, включающие экспертную оценку интенсивности загрязнения с последующим их объединением.

Выполнение пространственного анализа осуществляется последовательно модулями ГИС (см. рис 2) по схеме[5]:

·         построение регулярной сети ОТЕ с указанным разрешением (50, 100, 250, 500 м) в зависимости от уровня детализации территории;

·         выделение источников загрязнения ;

·         построение к каждому источнику полиноминального объекта, отображающего территорию, подвергающуюся загрязнению;

·         декомпозиция данного объекта на ОТЕ регулярной сети;

·         расчет качественных и количественных атрибутов ОТЕ регулярной сети в зависимости от математической модели расчета загрязнения территории;  

·         агрегирование атрибутов ОТЕ регулярной сети по степени загрязнения;

·         нормирование атрибутов ОТЕ регулярной сети в виде тематической карты ГИС.

Рис. 2. Обобщенная структура обработки атрибутов ОТЕ регулярной сети

В качестве примера нами проведено моделирование распространения примесей в атмосфере г. Биробиджана, основанное на использовании формулы Саттона и уравнения турбулентной диффузии, построены полигоны загрязнения в зависимости от преобладающего переноса поллютантов в приземных слоях атмосферы в зимний и летний периоды года . Построены серия электронных карт интенсивности загрязнения атмосферы источниками г. Биробиджана масштаба 1:25000 (рис 3,4). Она включает карты: источников, сгруппированных по типам (производства, котельные, автозаправочные станции и т. д.); загрязнения приземных слоев атмосферы в летний и зимний периоды года, содержания загрязнителей в депонирующих средах, функционально связанных с состоянием атмосферы.

Рис. 3. Фрагмент карты интенсивности загрязнения атмосферы источниками г. Биробиджана в зимний период

Рис. 4.  Фрагмент карты интенсивности загрязнения атмосферы источниками г. Биробиджана в летний период.

Разработанные специализированные модули ГИС позволяют провести дифференцирование антропогенного влияния на качество атмосферного воздуха путем наложения полей загрязнения в территориальных операционных единицах и объединения их в зоны с одинаковым уровнем состояния атмосферы; выявить территориальную динамику изменения качества атмосферу в различные периоды года; определить районы города, подвергающиеся максимальному и минимальному загрязнению; определить районы для рационального размещения новых предприятий; выбирать точки для экологического мониторинга; создать основу для разработки модели динамики качества атмосферы городской территории.

1. Баженов Р.И., Лопатин Д.К. О применении современных технологий в разработке интеллектуальных систем. Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. 2014. № 3 (93). С. 263-264.
2. Баженов Р.И., Гринкруг Л.С. Информационная система абитуриент-деканат ФГБОУ ВПО «Приамурский государственный университет им. Шолом-Алейхема». Информатизация и связь. 2013. № 2. С. 97-99.
3. Баженов Р.И., Гринкруг Л.С. Информационная система по расчету и распределению нагрузки профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВПО «Приамурский государственный университет им. Шолом-Алейхема». Информатизация и связь. 2012. № 5. С. 75-78.
4. Коган Р.М. Антропогенные загрязнители территории Еврейской автономной области. Справочник. Владивосток: Дальнаука, 2001, 165 с.
5. Глаголев В. А., Коган Р. М. Использование ГИС для экологической оценки городской территории.// География и природные ресурсы. 2004 №4. C. 167-171.

Все статьи автора «Глаголев Владимир Александрович»