Введение к работе
Актуальность исследования. В последние годы геоинформационные системы (ГИС) стремительно становятся стандартным инструментом для решения ряда фундаментальных и прикладных проблем метеорологии и климатологии. Благодаря способности хранить, обрабатывать, анализировать и визуализировать в структурированной электронной форме огромные объемы пространственно распределенных разнородных данных, ГИС позволяют быстро генерировать синтетическую информацию в удобной для принимающих решения специалистов форме. В решениях XV Всемирного Метеорологического Конгресса (2007, Женева) и Стратегическом плане ВМО (ВМО №1028) настойчиво рекомендуется широкое внедрение ГИС в мировую метеорологическую практику в качестве основы перспективных информационных систем.
В метеорологических и природоохранных приложениях имеется широкий класс задач, решение которых в значительной степени облегчается или ускоряется при использовании ГИС. К ним можно отнести: раннее оповещение о стихийных бедствиях и опасных погодных явлениях, наблюдения за температурой земной поверхности и Мирового океана, контроль за уровнем поверхности Мирового океана, определение границ снежного покрова, наблюдения за площадями затопления и разлива рек, наблюдения за распространением дыма от лесных пожаров, агрометеорологические и биометеорологические приложения, наблюдения за климатической системой Земли и отдельными ее элементами. Проблема эффективного применения ГИС в подобных задачах состоит в необходимости усвоения и анализа данных дистанционного зондирования, в особенности от метеорологических радиолокаторов и спутников, для исследования различных объектов климатической системы.
Однако, цифровая информация, поступающая от современных средств дистанционного зондирования атмосферы и подстилающей поверхности, требует расшифровки и анализа с целью идентификации изображенных на снимках объектов, выполняемого, как правило, вне рамок ГИС с использованием специализированных программных и аппаратных средств. Можно выделить две основные проблемы, решение которых необходимо для превращения данных дистанционного зондирования в информационные слои, составляющие основу для хранения информации в ГИС: 1) компрессия данных, или выбор наиболее информативных спектральных диапазонов зондирования; 2) идентификация изображенных на снимках объектов. Значительное ускорение процесса принятия решений может быть достигнуто при рассмотрении этих задач непосредственно в контуре ГИС, особенно, в реальном масштабе времени, в темпе поступления данных дистанционного зондирования.
Столь же актуальной в процессе принятия решений с помощью ГИС является проблема оценки комплексного состояния территорий. Можно выделить два наиболее общих класса задач. Первый относится к построению сводных показателей, характеризующих природный потенциал территории без учета хозяйственной деятельности человека. Второй относится к оценке состояния территории, с учетом осуществляемой на ней экономической деятельности.
Необходимость построения сводных показателей возникает, например, при оценке различного рода территориальных потенциалов (ассимиляционного, мезоклиматического и др.), оценке диффузионного потенциала синоптической ситуации, оценке многофакторного риска стихийных бедствий или степени уязвимости для них определенного района. В силу определенной искусственности подобных сводных показателей, а также всегда имеющей место неопределенности, наиболее тонким и ответственным этапом является оценивание весовых коэффициентов, учитывающих вклад разных факторов в значение показателя. В этом смысле необходима разработка метода, который бы отвечал двум требованиям: а) учитывал имеющуюся неопределенность, б) допускал простую вычислительную реализацию в контуре ГИС.
Оценки экологического состояния территорий невозможны без рассмотрения осуществляемой на них экономической деятельности. Проблема усложняется тем, что эколого-экономическое состояние территории, с одной стороны, зависит от метеорологических и климатических факторов, а с другой стороны, может оказывать на них влияние. Необходима разработка метода оценивания в рамках ГИС наиболее общих показателей макросостояния сложных климатических и эколого-экономических систем.
Технологии современного дистанционного зондирования позволяют осуществлять мониторинг различных параметров состояния атмосферы, гидросферы и биосферы. Принятие оперативных решений на основе такой информации удобнее всего осуществлять с помощью ГИС-технологий. Между тем, приходится констатировать отсутствие единого методологического подхода к анализу данных дистанционного зондирования атмосферы и подстилающей поверхности для проведения комплексной оценки состояния территорий в контуре ГИС в реальном масштабе времени. Это обстоятельство во многих случаях системно ограничивает возможности оперативного нахождения наилучших решений.
Данная диссертация призвана восполнить существующий научный пробел в этой сфере, что и актуализирует тему исследования.
Целью диссертационного исследования является разработка методологии анализа данных дистанционного зондирования атмосферы и подстилающей поверхности в контуре ГИС для комплексной оценки состояния территорий.
Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:
Создать структуру и разработать логическую организацию наполнения картографической и атрибутивной баз данных с целью комплексной оценки состояния территорий по результатам дистанционного зондирования атмосферы и подстилающей поверхности в контуре ГИС в реальном масштабе времени;
Разработать метод компрессии данных и выбора наиболее информативного спектрального диапазона зондирования метеорологических объектов в контуре ГИС;
Разработать метод автоматической идентификации изображенных на спутниковых снимках экологически значимых метеорологических объектов в контуре ГИС;
Разработать метод построения в рамках ГИС мезоклиматического потенциала территории в условиях априорной неопределенности;
Оценить статистическую обоснованность принципа максимума производства энтропии для описания сложных климатических и эколого-экономических систем;
Определить возможность использования концентрации антропогенных выбросов углекислого газа в качестве основы для интегральной оценки энтропийной устойчивости территории (региона);
Произвести расчет индекса относительной энтропийной устойчивости, отражающего относительное благополучие региона с эколого-экономической точки зрения.
Предметом и объектом диссертационного исследования является дистанционное зондирование и геоинформационное моделирование атмосферы и подстилающей поверхности, а также макро- анализ открытых сложных неравновесных климатических и эколого-экономических систем.
Методологическая и теоретическая основа исследований. Исследование базируется на системном подходе, в котором применены методы термодинамики, теоретико-информационного, теоретико-вероятностного и статистического анализа, методов теории распознавания образов, методов рандомизированных сводных показателей, геоинформационного моделирования.
Новые научные результаты, выносимые на защиту:
Метод выбора наиболее информативных спектральных диапазонов дистанционного зондирования метеорологических объектов на основе анализа главных компонент ковариационной матрицы наблюдений в контуре ГИС.
Метод автоматической идентификации изображенных на спутниковом снимке метеорологических объектов с использованием трехуровневого семейства методов распознавания образов и кластер-анализа с варьируемой степенью априорной неопределенности в контуре ГИС.
Алгоритм повышения степени разделимости классов метеорологических объектов путем нормирования по среднеквадратическому отклонению в случае значительного различия статистической структуры обучающих выборок.
Метод построения регионального мезоклиматического потенциала седиментации аэротехногенных примесей с использованием рандомизированных весовых коэффициентов в контуре ГИС.
Теоретико-информационное и статистическое обоснование возможности применения принципа максимального производства энтропии (МПЭ) для описания открытых сложных климатических и эколого-экономических систем, действующих в условиях ресурсных ограничений.
Метод учета антропогенных выбросов углекислого газа для оценки скорости производства энтропии территории.
Метод и результаты расчета индекса энтропийной устойчивости территории.
Теоретическая и практическая значимость результатов исследования. Полученные в диссертации результаты и разработанные методы могут быть использованы:
в системах раннего оповещения о стихийных бедствиях и опасных погодных явлениях,
в системах наблюдения за лесными и тундровыми пожарами,
в системах наблюдения за выбросами загрязняющих веществ в атмосферу и Мировой океан,
при контроле водной и ветровой эрозии почв,
при определении границ снежного покрова, затопления и разлива рек,
при оценке состояния сельскохозяйственных и лесных угодий,
при оценке биометеорологических индексов,
при оценке ассимиляционных и мезоклиматических потенциалов территорий,
при стратегическом планировании развития территории,
при оценке состояния экологических и экономических систем.
Соответствие диссертации Паспорту научной специальности. В соответствии с формулой специальности 25.00.30, объединяющей исследования в области метеорологии, климатологии и агрометеорологии, настоящая работа является прикладным исследованием, ставящим целью разработку методологии анализа данных дистанционного зондирования атмосферы и подстилающей поверхности в контуре ГИС для оценки комплексного состояния территорий.
Полученные научные результаты соответствуют пунктам 2, 14, 16 и 17 паспорта специальности 25.00.30 – «Метеорология, климатология, агрометеорология».
Пункту 2 «Взаимодействие между атмосферными процессами в полярных и умеренных широтах и между процессами в умеренных широтах и тропиках» соответствуют результаты применения принципа максимума производства энтропии в модели общей циркуляции атмосферы.
Пункту 14 «Микроклимат природных объектов, микроклимат мегаполисов» и пункту 16 «Метеорология и экология» соответствует получение оценки регионального мезоклиматического потенциала седиментации аэротехногенных примесей.
Пункту 16 «Метеорология и экология» соответствует метод учета антропогенных выбросов углекислого газа для оценки производства энтропии экологической системой территории.
Пункту 16 «Метеорология и экология» и пункту 17 «Прикладная климатология – атмосфера и строительство, медицина, курортология, транспорт, лесоведение» соответствует разработка метода и получение результатов расчета индекса энтропийной устойчивости территории и теоретико-информационное обоснование возможности применения принципа максимального производства энтропии для описания открытых сложных климатических и эколого-экономических систем, действующих в условиях ресурсных ограничений.
Пункту 16 «Метеорология и экология» соответствует разработка метода выбора наиболее информативных спектральных диапазонов дистанционного зондирования экологически значимых метеорологических объектов; разработка метода автоматической идентификации изображенных на спутниковом снимке экологически значимых метеорологических объектов; разработка алгоритма повышения степени разделимости классов метеорологических объектов в случае значительного различия статистической структуры обучающих выборок.
Апробация. Основные результаты работы докладывались на Всероссийской научной конференции в РГГМУ (Санкт-Петербург, ноябрь 1999 г.), на Итоговых сессиях Ученого совета РГГМУ (Санкт-Петербург, январь 2001-2009 гг.), на научных семинарах кафедр прикладной метеорологии и экспериментальной физики атмосферы, экономики предприятия и учетных систем РГГМУ (1999-2009 гг.). Результаты исследования были использованы при написании международных и российских грантов, договорных НИР: «Преобразование социальной сферы города за счет реализации его образовательных возможностей» (1999-2002 гг.), «Оценивание экономической эффективности, разработка моделей и оптимизация гидрометеорологического обеспечения народного хозяйства» (2001-2004 гг.), «Организация и регулирование инновационной деятельности в регионе с использованием потенциала высшей школы» (2003-2004 гг.), «Управление природопользованием на предприятиях посредством интеграции данных бухгалтерской и экологической отчетности» (2005-2010 гг.), TEMPUS JEP 26005-2005 "COMBAT-METEO" (2007-2009 гг.); TEMPUS JEP “QUALIMET”(2009-2012 гг.), BRIDGE "Keeping it cool"(2007 г.); грант молодых научно-педагогических работников высших учебных заведений и академических институтов Санкт-Петербурга в 2007 году № 07009; грант фонда "Научный потенциал" – конкурс научно- исследовательских проектов в 2008-2009 гг. договор № 171.
Личный вклад автора. Основные результаты диссертации получены лично автором и опубликованы более чем в 50 печатных работах, материалы использованы в научно-исследовательских отчетах.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация содержит введение, 7 глав, заключение, приложения и список литературы. Главы делятся на разделы. Основной текст содержит 218 страниц, включая 8 таблиц и 44 рисунка, имеется 15 приложений на 54 страницах. Список использованных источников составляет 200 наименований.
