Информационное обеспечение в системах мониторинга окружающей среды
Вариант № 1
Разработка модели многосенсорной системы мониторинга акватории порта
Цель работы – основной целью проведения НИР является разработка модели многосенсорной системы мониторинга акватории порта, рассматриваемой как сложная пространственно-распределенная многомерная динамическая система. Одной из важных задач при этом является разработка математического аппарата обработки информации в локальных и центральном процессорах..
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
структурированы методы объединения информации в многосенсорных системах;
разработаны:
типовая структура сбора и обработки информации в многосенсорной системе мониторинга акватории порта;
алгоритм обработки информации по данным отдельных сенсоров;
математический аппарат обработки информации в многосенсорных системах с разнородными датчиками;
произведено объединение оценок состояния объекта.
Таблица 1 Информационно-ситуационная матрица для некоторых видов загрязнения
Тип поля Тип ЧС
Разливы нефте-продуктов Выбросы в атмосферу Загрязнение промстоками Радиацион-ные загряз-нения Пожары Разрушите-льные вибрации
Электромагнитное х х х
Оптическое х х х х
Инфракрасное х х х
Акустическое х
Гидроакустическое х х
Сейсмоакустическое х х
Контактные измерения х х х х х х
Нефтяное загрязнение Мирового океана – одна из самых распространенных и опасных форм загрязнения природной среды. Ныне оно приобрело глобальный характер.
Следует различать два типа нефтяного загрязнения: хроническое – в течении длительного времени сравнительно низкими концентрациями и аварийное – большими количествами нефти и нефтепродуктов в короткий промежуток времени. В результате хронического загрязнения, источниками которого являются хозяйственная деятельность человека на континентах и в океанах, и естественное просачивание нефти из недр через разломы в морском дне, в Мировой океан попадает ежегодно гораздо больше нефти и нефтепродуктов, чем в следствии аварий. Но именно аварийные разливы наносят океану наибольший экологический ущерб, поскольку носят «залповый» характер, исключающий возможность быстрой адаптации природной среды конкретных океанических ареалов. Аварийные разливы нефти связаны прежде всего с функционированием танкерного флота.
Примерно половина всей нефти, добываемой в Мире, перевозится морскими судами. В связи с этим производится строительство нефтеналивных терминалов, где также возможны аварийные утечки нефти при погрузке ее в танкера. Кроме этого также существует опасность аварий танкеров, что приводит к разливам большого количества нефти и созданию экологически опасной ситуации.
На предыдущем этапе проекта был проведен анализ видов и характеристик загрязнения акватории различными источниками, а также анализ технических характеристик средств наблюдения различной физической природы. Оценена возможность их применения для решения задач обнаружения и автосопровождения нефтяных пятен (НП). Произведен выбор и обоснование использования многосенсорной системы мониторинга акватории порта. Обоснована целесообразность построения многосенсорных систем мониторинга и разработана структура комплексной системы экологического мониторинга акватории порта, произведен.
Наибольшее значение для решения задачи экологического мониторинга имеют организация и проведение наблюдения за экологической обстановкой в контролируемой морской экосистеме, которое является основным источником получения экологической информации. Эта процедура включает в себя выбор отдельных структурных элементов определяющих оперативность и достоверность получаемой экологической информации.
Вариант № 2
Информационное обеспечение в системах мониторинга окружающей среды
Познание любого элемента окружающей действительности складывается из следующих этапов: открытие Þ изучение Þ мониторинг Þ прогнозирование. Границы в этой цепочке могут быть условны и подвижны, но мониторинг отделяется от изучения достаточно четко. Проведение мониторинга всегда требует предварительных знаний о свойствах объектов. Мониторинг не создает качественно новую информацию, он только выявляет текущее состояние среды по отношению к заранее заданной совокупности состояний.
С позиции информационной концепции мониторинг окружающей среды можно определить как систему сбора, обработки, интерпретации и распространения данных, организованную в соответствии с запросами потребителей. Организация и проведение мониторинга на всех этапах должна сопровождаться анализом информационного обеспечения. При этом следует исходить из того, что только незначительная часть потенциально необходимой информации может быть получена путем непосредственно по данным наблюдения.
Организация экологического мониторинга предполагает сложную и разветвленную совокупность взаимодействия, в которой всегда существуют источники информации, операторы и потребители. Эти блоки следует вычленять при рассмотрении любой системы наблюдений и любой информации.
Отраслевые подсистемы развиваются независимо друг от друга, со своими центрами управления, и взаимодействие между ними чаще всего ограничивается добровольной координацией и обменом данными между ними. К числу отраслевых подсистем относится дистанционное зондирование, которое проводится специализированными учреждениями и позволяет получить наборы данных, принадлежащих к различным тематическим областям. Территориальная организация, напротив, представляет собой иерархию уровней с вертикальной подчиненностью. В ней могут быть выделены следующие уровни: глобальный, национальный, межрегиональный, региональный, локальный, импактный и каждому из них свойственна своя специфика.
В сфере административного управления функции поставщиков и заказчиков информации жестко закреплены. Любые изменения в методах наблюдений, форматах представления данных, способах обработки результатов требуют согласования. Если же мониторинг рассматривается как гибкая информационная система, это предполагает свободу выбора во всех отношениях – при определении перечня объектов, границ района, пространственно-временной дискретности наблюдений. Противоречие между этими подходами может быть снято, если оценивать их по конечному результату – качеству полученной информации, которое связано с исходными наблюдениями скорее корреляционными, чем функциональными зависимостями.
Хотя нет идеального инструмента дистанционного зондирования для оперативного обнаружения и мониторинга нефтяных разливов, спутниковый радар с синтезированной апертурой (SAR) представляет множество преимуществ над другими системами:
Изображение больших областей на регулярной основе;
Способность круглосуточного отображения;
Независимость от облачного покрова;
Способность обнаруживать и распознавать разливы и суда.
Под усвоением данных следует понимать их извлечение из любых доступных источников для научного анализа или решения конкретной практической задачи, как правило, требующее дополнительной обработки или преобразования информации. Экологический мониторинг основан на использовании информации из самых различных источников.
Основная цель экологического мониторинга морской среды состоит в получении своевременной информации, позволяющей оценить экологическую обстановку и создающей предпосылки для принятия адекватных мер по направлению возникающих негативных экологических ситуаций.
Таблица Идентификация нефтяных сликов относительно скорости ветра.
Скорость ветра, м/с
0 Нет отражений от ровной поверхности моря, следовательно нет отражения нефтяного слика
3 Хорошее волнение с небольшими неровностями. Отсутствует влияние ветра на нефтяной слик. Высокая вероятность похожести слика обусловленного локальными вариациями ветра.
От 3 до 7 (10) Лучшее условие в отношении ложных тревог от участков, где слабый ветер. Нефтяной слик еще не наблюдается, а фон более равномерен.
Более 7 (10) Будет видна только толстая нефть. Более тонкие слики не видимы в следствии разрушения. Максимальная сила ветра для обнаружения слика изменяется в зависимости от типа нефти и возраста слика. Толстая нефть может быть видна при ветре большем чем 10 м/с.
Вариант № 3
Автоматическое обнаружение нефтяных разливов
В дальнейшем мы будем фокусироваться на автоматическом обнаружении нефтяного слика происходящем в Модуле Обнаружения. Тем не менее, мы сначала опишем характеристики изображения нефтяного и похожих сликов, что составляет базу алгоритма.
Нефтяные слики и похожие объекты
Попавшая на водную поверхность нефть начинает растекаться. При низкой температуре воды и воздуха увеличивается вязкость нефти и распространение ее пленок происходит медленнее, чем при положительной температуре среды. В центре образовавшегося нефтяного пятна находятся толстые (1 мм) слои, содержащие 90 % общего объема нефти и занимающее около 10 % площади пятна. Эта часть пятна окружена обширными тонкими пленками (4 мкм), имеющими радужный цвет. На периферии пятна, как правило, располагаются очень тонкие, почт мономолекулярные пленки.
Растекание нефти в море представляет собой сложный процесс, при описании которого необходимо учитывать большое количество разнообразных факторов для случая мгновенного локального пролива некоторого объема нефти этот процесс можно представить следующим образом. Вначале растекание нефти происходит под действием сил тяжести, а затем и сил поверхностного натяжения.
В целом судьба нефти и нефтепродуктов, попавших в море, характеризуется общей цепью следующих процессов: испарение, растворение, эмульгирование, окисление, образование агрегатов, седиментация и биодеградация. В первые часы пребывания нефти в воде доминируют физико-химические процессы трансформации нефти: испарение, растворение и др.
Прекращение растекания пленки нефти не означает, что площадь, подверженная загрязнению нефтепродуктами, будет оставаться неизменной. Дальнейший рост размеров пленки определяется ветром и течением, т.е. механизмом дальнейшего роста площади загрязнения является турбулентная диффузия. Дальнейшее поведение нефти неоднозначно и зависит от индивидуальных физико-химических свойств, сорта нефти и гидрометеоусловий: ветра, волнения температуры воды и воздуха, солнечной радиации и солености моря. В одних условиях нефть, длительное время распространяется в виде сликов, в других случаях достаточно быстро происходит образование эмульсий типа «нефть в воде» или «вода в нефти», а иногда вследствие интенсивного испарения и растворения нефть становится более плотной, чем вода, и тонет.
Нефтяные слики должны быть отделены от других океанических образований дающих похожие образы. Важнейшими параметрами нефтяных сликов и схожих объектов являются:
Ветер.
При отсутствии ветра нефтяной слик будет полностью невидим.
При низких скоростях ветра (3 – 4 м/с) нефть обычно бывает видна.
Только при больших скоростях ветра (более 7 – 10 м/с) может быть видна тяжелая (густая, плотная) нефть.
Форма. Нефтяные слики часто более регулярны и сглажены по форме, чем имитации (более изрезаны на фронтах). Слик может быть более нерегулярен во времени.
Уровень отражений. Возможна большая разница между средним уровнем отражений в пределах окружающей области. В тоже время эта разница зависит от силы ветра.
Границы. Часто имеет место скачек градиента отражения вдоль границы нефтяного слика, в тоже время, ветровые условия могут сгладить этот градиент.
Особенности выделения.
Каждый параметр или описание в векторе параметров модели слика имеет соответствующие параметры алгоритма экстракции. Большинство параметров относятся к физическим параметрам. В целом имеется 15 параметров, которые определены как полезные, однако, когда система обучается под множество этих параметров выделяется и используется в статистической модели. Определяемые параметры приведены в таблице 3.
Таблица Параметры алгоритма экстракции
№ п/п Название Описание
1. Площадь слика Число пикселей