Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Современные информационные технологии, такие как компьютерные модели (КМ) с дружественным интерфейсом, Географические Информационные системы (ГИС), системы поддержки и принятия решений, экспертные системы и другие обеспечивают мощные средства для анализа экологических проектов, моделирования окружающей среды, подготовки и представления результатов для последующего принятия решений. Одной из важнейших частей экологического моделирования (моделирования окружающей среды), является анализ пространственно распределенных и зависящих от времени данных. Различные исходные данные (с различной корреляционной структурой, собранные на различных по однородности сетях мониторинга, с различными статистическими характеристиками) требуют использования разнообразных математических методов, выбор которых зависит от предварительного анализа исходных данных и конечных целей исследования. Использование плохо подобранного метода может привести к существенным ошибкам анализа и, как следствие, к принятию неправильного решения.
Существует огромное количество методов пространственной интерполяции, каждый из которых имеет свои преимущества и свои недостатки. Неоднократно делались попытки сравнения различных методов интерполяции с использованием, как правило искусственных исходных данных и разных критериев оценки. Существенно, что в результате сравнения лучшими признавались разные методы. Выбор метода существенно зависит от количества и качества исходных данных, а также целей анализа: глобальные оценки, карты принятия решений, сравнение результатов моделирования и измерений и т.п.
Актуальность диссертационной работы определяется тем, что к настоящему времени собран, систематизирован и оформлен в виде баз данных обширный материал по последствиям Чернобыльской аварии. Опубликовано большое количество карт, как у нас в стране, так и за рубежом. Однако анализ представительности данных и сети мониторинга, пространственной корреляционной структуры выпадений, кросс-валидация методов, с помощью которых обрабатываются данные и готовятся карты, не проводились. Одна из причин такого положения — масштабы экологической катастрофы, сложность и пятнистость радиоактивного загрязнения на разных масштабах (10 -ї-106 м).
Ряд фундаментальных современных достижений геостатистики и теории фракталов позволяют разработать новую методологию анализа, обработки и представления данных экологического мониторинга, имеющих сложную пространственную структуру.
Использование для сравнения реальных данных по Чернобыльским выпадениям, имеющихся на различных масштабах от метров (отдельные населенные пункты) до десятков и сотен километров (региональные масштабы) дает возможность изучения пригодности различных методов для разномасштабных данных. Обилие данных позволяет выбирать для сравнения работы различных методов данные с различными корреляционными структурами, различными по однородности сетями мониторинга, и в результате выработать рекомендации по проведению анализа.
Комплекс работ по разработке методологии и анализу данных радиоэкологического мониторинга, кросс-валидация традиционных и геостатистических методов, фрактальное моделирование с использованием реальных радиоэкологических данных проводится впервые.
Цель работы
Основная цель диссертационной работы состояла в
-
проведении последовательного геостатистического анализа реальных данных по радиоактивному загрязнению поверхности;
-
проведении сравнительного анализа методов пространственной интерполяции на реальных данных, имеющих различные статистические и корреляционные характеристики;
-
разработке новых методов и алгоритмов анализа пространственно распределенных данных, базирующихся на фрактальной теории;
-
компьютерной реализации ряда традиционных и геостатистических методов пространственной интерполяции.
Достоверность полученных результатов базируется на корректном использовании алгоритмов и предварительном тестировании программных продуктов.
Научная новизна
-
В работе впервые приведены примеры последовательного геостатистического анализа реальных данных Чернобыльских выпадений.
-
Проведен фрактальный анализ сети радиоэкологического мониторинга.
-
Проведена кросс-валидация традиционных и геостатистических методов с использованием реальных радиоэкологических данных на масштабах от десятков метров до сотен километров.
-
Разработан новый алгоритм фрактального моделирования мелкомасштабной структуры для произвольных пространственно распределенных данных.
Практическая ценность работы
Разработанная методология анализа, обработки и представления фостранственно распределенных данных может быть использована іля любых пространственно распределенных экологических данных. Методология может быть использована, как полностью, так и любая >тдельно взятая часть,например: анализ сети мониторинга, или пространственный структурный анализ, или подбор параметров метода штерполяции.
Полученные при проведении кросс-валидации методов рекомендацій могут быть использованы для анализа произвольных данных.
Разработанные алгоритмы и математическое обеспечение являют-:я основой нового поколения пространственных интегрированных систем для поддержки принятия решений.
Работа является разделом гранта РФФИ N94-02-03832-a "Комплекс фундаментальных исследований по анализу тяжелых аварий на АЭС іля окружающей среды и человека".
Разработанная методология и программное обеспечение являют-:я частью международного проекта INTAS "Soil polluttion: cartography, isks, decision support systems".
Защищаемые положения
-
Методологию проведения анализа пространственно распределенных данных радиоэкологического мониторинга.
-
Проведение анализа кластерности (неоднородности) сети радиоэкологического мониторинга с помощью вычисления фрактальной размерности и анализа ячеек Лирихле.
-
Последовательный геостатистический анализ Чернобыльских выпадений, включающий: статистический и корреляционный анализ данных, кросс-валидацию и сравнение методов пространственной интерполяции, используя различные способы представления относительных ошибок, вычисление и анализ глобальных параметров метода, анализ ошибок на независимость и нормальное распределение, представление карт результатов и к ним карт ошибок.
-
Новый метод стохастического моделирования данных: последовательный условный фрактальный генератор мелкомасштабной структуры.
Апробация работы
Материалы диссертации обсуждались на семинарах лаборатории Системных исследований Института проблем Безопасного Развития Атомной Энергетики и докладывались на следующих конференциях:
-
4 ежегодная международная научно-техническая конференция Ядер ного общества (Нижний Новгород, Россия, 1993).
-
Международный симпозиум по очищению и восстановлению ра-диоактивнозагрязненных областей в Европе (Антверпен, Бельгия, 1993).
-
СОМЕТТ семинар "Геостатистика и загрязнение окружающей среды" (Рим, Италия, март 1994).
-
Ежегодная конференция международного общества по математической геологии (Мон Тремблан, Квебек, Канада, октябрь, 1994).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 9 научных работ — 7 статей и I тезиса докладов.
