Разработка методов экологического зонирования при помощи математических моделей и спутниковых изображений Бутусов, Олег Борисович

Введение к работе

Актуальность проблеми. Пзд экологическим зонированием подразумевает процедуру разделения территории на области с приблизительно ,динаковь*м йколопїчєскім состоянием прнродкоЯ среды. При этом необходимо ресита вопрос о выборе оценки «качества экологического состояния мли ззэ оценки степени экологической деградации природной средн. ' Последнее крайне валко дня всякого рода стоимостных оценок, ::апрякзр, для стоимостной оценку sesoia или для сцено:? затрат необ-йодккїй для ое рекультивации. Еіїолопїчзскоз сокиросанне необходимо таозз для планирования проїякплзнкога и тилого строительства, землеустройства» лесоустройства и природоохранных мероприятий.

Ссусїзстзлзнке зкодоктезского локирования язляется непростой задачей,, которая требует для своего резеиии разработки специальных методологии, соединяющий в единый комплекс результаты локальных би-. сгеоцекотических исследований ко определения качества экологического состояния природной средн, локальных данных об уровнях загрязне-2гая_р- ' математического моделирования атмосферного перекоса промышленных загрязнений ш обработку спутниковых изображений. При этом -в качестве критерия разграничения экологических зон доляиы бить использованы показатели вгеологического состояния биогеоценозов или иэ макропараштры построенное ив этих показателей. Только в этом случае зонирование будет экологическим.

Тоскуя образом с проблемой экологического зонирования территорий вокруг прокышеннш производств связана проблема разработки и кдзкткфккащщ математкчзсхиз моделей атмосферного перекоса. В иас-тсйзээ.время'разработана больпоэ число различных моделей для расчета ползи вагрязкекня вокруг щхшгшяэшак источников, ко как известное универсальных моделей еэ еуязэствует и кздцая из разработанных моделей ' кмэвя собственную строгую область применения. Последнее а сссЗенЕостя актуально для решения еадач атмосферного перекоса з условиях славного рельефа и городской застройки. При решении этих задач козгедояатеяэ приходиться сталкиваться о проблемами учета гене-. ргцка атьюсфэцжыг ветрей, отрьаа яэчзтга„ образования застойных

² ''-.

. зон, локальных атмосферных циркуляции и рядом других. Есе эти во; росл являк/гся важными и актуальнк-ги и нашли свое отражение в наст< ЯЕ,ой диссертации.

Вопросы экологического зонирования также теснейшм сЗраз< связаны с выделением районов опасных с точки зрения аварийных чреї зычайных ситуаций. Разработка' математических моделей позволяют накапливать байки данных виртуальных траекторий облаков токсккакті дает возможность * заблаговременно рассчитать границы опасных зон видать необходимые рекомендации. Зга проблема является важной и и туадыюй.

Важными к актуальными тзлвэ являются вопросы использования д.
экологического зонирозанкя спутниковых изображений.' Эти вопро:
также нашли отражение в диссертации. . ,

Цель работы. Цель диссертационной работы - разработка методі логин использования данных локальных биогеоценотических исслєдові ний, математического моделирования атмосферного распространен! лагрязкекий и спутниковых изображений для экологического зонировг ния территорий со сложным рельефом и в условиях городской гастроі ки. Эта общая цель включает в себя решение ряда частных проблем:

раоработку комплексных показателей экологического состояв! природных систем с цапыо у.х использования для выделения экологиче< ких зен при помощи математического моделирования и па спутников! изсСраганкях;

разработку методологии математического моделирования расі ространения загрязнений в условиях сложного рельефа и городш застройки, а также соответствующих математических методов, алгорж мов і: програмі,!;

разработку методологии идентификации математических модэл« атмосферного переноса аэрозолей тяжелых металлов по данным хішаш .іиза загрязнения снесшего покрова;

разработку методологии определения 'уровней фонового эагряг нения за счет воздействия со стороны трансграничных потоков testes кактов и идентификации соответствующих моделей по данным о еагряг нении снежного покрова;

разработку методологии учета для целей экологического вон»

_ з

рованкя математических моделей лекальных атмосферних циркуляции, а также соответствующих математических методов алгоритмов и программ;

- разработку математических методов, алгоритмов и программ использования спутниковых изображений для экологического зонирования.

Все- это имеете составляет эффективный инструментарий необходимый дгя ссуя'.-эствления адекватного экологического зонирования.

«зтодц исследования. Исследования проводились на основе современных математических методов зкологки природной среды, гндродина-, мики, механики и физик? атмосферы, а также методоз шаровой обработки кзобра: гний. В качеств? аппарата исследований использовались методы экологического моделирования, стохастических процессов, численной гидродинамики, дифференциальны:: уравнении з -потных производных, статистического анализа, теории турбулентности, инфрезой фильтрации изображений, а также распознавания и идентификации образов.

Научная новизна работы. Научная новизна диссертации заключается в решении целого ряда новых научных и практических проблем:

1. Разработана методология построения и использования комплексных экологических характеристик для выявления корреляционных связей мэ.уду экологическим состоянием природных систем и уровнем их загрязнения промышленными аэрозолями. Эгк связи з дальнейшем используются для выделения-экологических зон по изолиниям расчетного среднегодичного поля загрязнений.

2. Разработана методология математического моделирования атмосферного переноса '.промышленных аэрозолей, как в условиях сложного рельефа, так и в условиях городской застройки. Предложено рассматривать три приближения для описшіия процессов взаимодействия клубов загрязнителя с элементами рельефа: приближение пологих барьеров, приближение крутых барьеров и приближение жесткого рассеяния. Выбор того или иного приближения определяется условиями гидродинамики ат->.«сфэры. Предложена методика идентификации моделей атмосферного переноса аэрозольных поллютантов на основании данных о загрязнении снеаного покрова.

3. Разработана методика определения трансграничных потоков

прокьагэииых вагрязкеный ео данным о фокозш: сагрявнайиях снэкаого покрова. Прзддокэнэ шаогьаоЕать .свежий покров как идеальна интегратор сукмзркьк фозювьк еагргокониЯ. Е>эдлогэна математическая модель для пзресчэта бэиосш: загрязнений снэккого го;фова б грана-' граничные потоки яокакканяоз. ВэЕодкка базируется ва' яредполокаши о том, что йзновь» еагряэнеаяя цэлжоьз.оЯуслаалзнн 'ераксгранкчныц вападішм перекосов

4. Разработана 'катеіаїкчзоггл г*0зяь .шкэефэрЕшг іїіркулящій в гаькяутьк котлзззшгі:, ІЬдзгь гфсдкоїзеїі в качестве кксгрукзкта для' прогнозирования процзссоз уаіьиааззл горілих лзооз. РазраЗотака так-ігз имитационная сгохєсяичгскаа г-іодеа сугадзсолй в. ' ехотоїгі степь-лее, которая сагкэстао с юдзаз лзкалькзк егьгогфзрзшх царку-глция поззолпсе гзрогязскрогать крэцааеи скэгрнк'н сокіз xooos Б условиях глсбанькьа ко5.:гізз:іїій кгзззта її кео Еззрйагеяс^зге ажрзпзгэнно- ' го давления. ' ''"' ' '

5. Разработав матомгуичэшия кодэль ргсззроауразекня гракз-.' портних ватряакемиЯ в условиях угачкого каньона.' Предложена кодкфа-. кация модели дет учета гффектоэ сзязааяьк с кадкчкэм аркк в одкоа нз зданий каньона. '.'-.''''

6. Раэрабстга ряд мзтодоэ оиштуризаЁкя объектов на спутниковых изображениях, а такхй помэхоустоЯчивый акгсркты генерализации гринчпых контуров. Разработан ряд сшюроткоз для идоктизякацик природных объектов на изображениях путем савшщэпия теиерализоваиш-: .контуров этих объектов с эталонами банка данных. Помехоустойчивый алгоритм генерализации позволяет отфильтровывать мелкомаскгабЕШ флуктуации граничного контура, причем уровень фильтрации.вадаэтсЕ специальным управляющим параметром. Таким образом создается бозиэп-ность для получения и хранения в банке данных дискретного ряда последовательных приближений граничного контура. Такой подход іжшзт '' быть использован при применении сикергетических методов раопозказа-1 ния образов, развиваэ&ак еетлой Г. &кэна.

Практическая цзтааоть работа к' реализация результатов. - Разработанная в диссертация методология егалогнческого зонирования получила практической кспользоиагоэ' для разграничения кмаактных, ' буферных и <око2ых яерриторйЯ" вокруг' Карабашсхого медеплавильного

.комбината на Юкном Урале. Для каддой из гон определены суммарные деградации природных _систем и прогнозируется развитие территории. 3 настоящее время Карабашекия медеплавильный комбинат з?.крыт ка реконструкция и в окрестностях проводятся работы по рекультиващги зеке ль.

Для исследования вопроса о распространении клубов загрязнителя а условиях городской застройки разработана специальная стохастическая траєкторная модель. Шдель оформлена в виде интегрированной среды под названием АРМ "Экологическое прогнозирование". ї.йдель позволяет рассчитывать траектории движения клубов загрязнителя для случая аварийных и залповых выбросов. АРМ разработан в рамках программы "Информатизация России" к годучил практическое использование в качестве функциональней задача С/.гуационного центра ГКЧО России.

Алгоритмы обработки спутниковых изобраданий разработанные в диссертации использованы для выделения песков, пастбищ и лесов V6-сунурской котловины. Результаты получит: практическое использование а ходе советско-мснгсльс'эдго эксперимента "Убсу-Нур" у, для выделения импактной зоны з районе Карабашского мелеплавильного комбината.

Инструментарий АРМа иепользозаи для экологического зонирования Перовского района Москвы. Расчигано. расположение буферных зон от высоких источников и выданы рекомендации по их уменьшению.

Вцелом полученные результаты составляют единую методологи» экологического зонирования, в которой использование математического !.?оделирования и спутниковых изображений приведет к значительному сокращению объема трудоемких полевых биогеоценотических исследований. При этом результаты полученные ь конечном числе пунктов локального биогеоценотического зондирования распространяются ка всю їерроторио яри помощи математического моделирования или обработки спутниковых изображений.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладыва-jascb на следующих всесоюзных и международных конференциях: "Влияние промыаяеинше предприятий ка окружающую среду"(Звенигород,1S84); 3-ий международный симпозиум "Космический глобальный мониторинг би-осфэры"(Таикэнт_в1б8б); "Проблемы социальной экшогии"( Львов, 1886); "Ыэгоды н средства їематкчзской обработки аэрокосмической информа-

ции'Ч Звенигород,і986); Всесоюзное совевдние по экоинформатике экологическим базам данных (Москва,1986); "Космические методы кг чения бяосферы"(Эвенигород,1938); Многостороннее . совещи стран-членов СЭВ «о проблеме "Советско-монгольский эксперимент УС -Нур"( Кызыл, 1G89); Мэздународная конференция по биоиндикаторам и рушенных территорий (Чешские Будевьевицы,1988); "Новые информацис ныь технологии в АСУ городом'Ч Москва, 1990); "Математическое моде л рование в проблемах рационального природопольэованн (Ростов-на-Дону,1990); 1-ая меэдународная конференция по городск информационным системам "МИС-91"( Прага, 1991); "Проблема лесов лесной экологкк'Ч Минск,1990), а также доложены и обсуадены на Вс союзных и международных семинарах Научного совета по проблемам б; осферы АН СССР (Львов, 19CS; Кызыл, 1987; Москва 1988; Улан-Бато] 1990; Варшава, 1990) и на ряде научных семинаров институтов Pi (Институт проблем управления, 1985; Центральная аэрологическая о« серв&тория, 19ВД; Институт географии, 1989; Иинститут почвоведені к фотосинтеза, 1990; Центр по проблемам экологии и продуктивное^ лесов, 1992 и др.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 5^ научкда работ к, из них две монографии, а также методические материг лы, технические эдюекты и научно-технические отчеты.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 7 разделов включая введение и общие выводы и списка литературы из 208 мсточии ков. Объем работы 287 листов машинописного текста, 86 рисунков и . таблиц.