Использование географических информационных систем при прогнозировании последствий опасных природных процессов

Размещено на http://www.allbest.ru/

27

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Опасные производственные процессы»

на тему: «Использование географических информационных систем при прогнозировании последствий опасных природных процессов»

Москва, 2010г.

Содержание

Введение

1. Цели прогнозирования чрезвычайных ситуаций

2. Краткая история создания и применения ГИС

3.Географические информационные системы

3.1 Понятие о Геоинформационной системе (ГИС)

3.2 Функции и достоинства ГИС

3.3 Принцип действия ГИС

3.4 Программное обеспечение ГИС

4. Прогнозирование опасных природных процессов с использованием ГИС

Заключение

Список литературы

Введение

чрезвычайный природный ситуация географический информационный система

По оценкам экспертов ООН, за последние сто лет в разных странах мира произошло более 50 тыс. природных катастроф, ставших причиной гибели свыше 4 млн. человек. В отчете Munich Re -- одной из самых авторитетных страховых компаний мира -- сообщается, что из 234 наиболее масштабных природных катастроф 1950-1999 годов 38% были штормы, 29% -- землетрясения, 27% -- наводнения, а 6% составили все остальные виды природных опасностей. Землетрясения унесли жизни 47% погибших, штормы -- 45%, наводнения -- 7%, другие виды опасностей -- 1%. Экономические потери имеют следующее соотношение: 35% -- от землетрясений, 30% -- от наводнений, 28% -- от штормов и 7% -- от других опасностей.

Территория России подвержена воздействию широкого спектра опасных природных процессов.

Рост числа чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, нарастание социальных и экономических потерь от ЧС делают все более актуальной проблему повышения эффективности государственной системы предупреждения и ликвидации последствий катастрофических природных явлений.

МЧС России утверждает, что если вовремя узнать о надвигающейся опасности и ее возможных последствиях, большую беду можно предотвратить. При этом на помощь человеку приходят информационные системы.

Наиболее перспективными методами обработки и усвоения объёмов информации о состоянии компонент природной среды, на сегодняшний день, являются методы, основанные на использовании компьютерных геоинформационных технологий. Использование геоинформационных систем (ГИС), позволяющих проводить одновременный анализ многомерных данных с использованием цифровых карт, упрощает процедуры прогноза и оценки комплексного воздействия природной среды, делает возможным оперативное выявление аномалий и принятие необходимых мер для их устранения.

Геоинформационная система (далее - ГИС) в настоящее время внедряется во все сферы жизни человека, в том числе и в прогнозирование опасных природных процессов, речь о котором пойдет в данном реферате.

Цель исследования в настоящей работе является ознакомление с ГИС, изучение использования ГИС при прогнозировании опасных природных процессов.

Для достижения нашей цели поставлены следующие задачи:

- изучить научную литературу по данной проблематике;

- проанализировать ГИС-технологии и программы;

- выявить основные направления использования ГИС при прогнозировании опасных природных процессов;

- обобщить полученные данные.

1. Цели прогнозирования чрезвычайных ситуаций

В России только начинает формироваться единая государственная система предупреждения и прогнозирования катастрофических природных явлений. Как результат, затраты сил и средств на ликвидацию последствий природных катастроф многократно превышают все остальные расходы на безопасность.

Правительству России совместно с органами исполнительной власти субъектов Российской Федерации, поручено наметить комплекс специальных мер. Особая роль при этом отводится повышению ответственности и действенности служб и формирований МЧС в субъектах Российской Федерации и муниципальных образованиях по предупреждению катастрофических природных явлений. Органам государственной власти субъектов Российской Федерации, местного самоуправления, соответствующим территориальным органам рекомендовано принять участие в развитии единой системы мониторинга опасных природных процессов (далее - ОПП).

Понятно, что в этой работе не обойтись без тех, кто на протяжении многих лет активно занимался разработкой программно-аппаратных комплексов, предназначенных для оснащения центров мониторинга и прогнозирования последствий чрезвычайных ситуаций, кто создавал инструментарий современных геоинформационных технологий. Именно они могут сегодня предложить и реализовать эффективное решение.

Основная идея прогнозирования ОПП состоит в объединении возможностей:

- специальных служб, которые могут нести круглосуточное дежурство;

- научных учреждений страны, занятых исследованием опасных природных процессов и явлений и их прогнозированием;

- отдельных ученых, способных давать научно обоснованные экспертные оценки уровня опасности;

- федеральных органов мониторинга и прогнозирования, а также управления кризисными ситуациями.

Современные системы мониторинга и прогнозирования опасных природных событий и их последствий -- это многоплановые информационные системы, включающие:

- средства наблюдения за опасными явлениями (сенсорные сети);

- коммуникационные каналы и оборудование;

- мощные базы данных и знаний, содержащие информацию о последствиях различных ЧС;

- математические модели опасных явлений;

- описания состояния и уязвимости элементов риска;

- данные о распределении и возможностях источников опасности;

- связанные между собой вычислительные ресурсы и т.д.

Вопросы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (ЧС) на территории Российской Федерации остаются весьма актуальными. Опасность воздействия ЧС природного характера на население страны обусловлено следующими факторами: увеличение антропогенного воздействия на окружающую среду, провоцирующего или усиливающего негативные последствия опасных природных явлений; нерациональное размещение объектов хозяйственной и промышленной деятельности; расселение людей в зонах потенциальной природной опасности; недостаточная эффективность или отсутствие систем мониторинга окружающей среды; ослабление государственных систем наблюдений за вулканическими, сейсмическими, экзогенными процессами, гидрометеорологическими и гелиофизическими явлениями; невысокая достоверность прогнозирования опасных природных явлений; отсутствие или плохое состояние гидротехнических, противооползневых, противоселевых и др. защитных сооружений, защитных лесонасаждений; недостаточность кадастров потенциально опасных районов (регулярно затапливаемых, сейсмоопасных, селеопасных, лавиноопасных, оползневых, карстовых, цунамиопасных и др.).

Состояние защищенности населения, объектов экономики и окружающей природной среды от чрезвычайных ситуаций во многом зависит от заблаговременной, тщательной проработки мероприятий по предупреждению и ликвидации ЧС природного и техногенного характера. Своевременное прогнозирование вероятных опасностей в ЧС, то есть возможных состояний, при которых создадутся или будут вероятны угрозы возникновения поражающих факторов и воздействий ЧС на население, объекты экономики и окружающую природную среду, значительно снижает отрицательные последствия для жизнедеятельности людей, экономики и природной среды. В случаях с естественными опасностями, характеризующимися неожиданностью их возникновения, следует отметить, что человек, в большинстве случаев, научился их предсказывать, например, ураганы, ливневые дожди, цунами.

Многие из естественных опасностей стабильны во времени, по силе воздействия и могут быть территориально привязаны, как в случае с речными паводками. Мониторинг складывающейся природной и техногенной обстановки на территории Российской Федерации неотъемлемая часть повседневной деятельности структур МЧС России. Без применения геоинформационных технологий и внедрения ГИС в работу сил МЧС России было бы весьма затруднительно собирать в одну «картину» многообразные данные, распределенные в пространстве (населенные пункты, объекты экономики, лесные массивы и т. д.) и во времени (изменение направления и скорости ветра, площади территории лесного пожара, увеличения уровня речных вод, распространение пятен загрязнений нефтью и нефтепродуктами, изменение зон химического заражения, радиационного загрязнения и т. п.).

2. Краткая история создания и применения ГИС

чрезвычайный природный прогнозирование географический

Географические информационные системы появились в 1960-х годах как средство отображения в памяти компьютера объектов, расположенных на поверхности Земли. Первые геоинформационные системы были разработаны военными ведомствами СССР и США, как часть системы наведения ракет.

Вскоре ГИС стали применять и в мирных целях. Первые ГИС были созданы в Канаде, США и Швеции для изучения природных ресурсов в середине 1960-х годах, а сейчас в промышленно развитых странах существует тысячи ГИС, используемых в экономике, политике, экологии, управлении и охране природных ресурсов, кадастре, науке, образовании и т.д. Они интегрируют картографическую информацию, данные дистанционного зондирования и экологического мониторинга, статистику и переписи, гидрометеорологические наблюдения, экспедиционные материалы, результаты бурения и др.

В 1970-х годах геоинформационные системы начали использоваться для вывода координатно-привязанных данных на экран монитора, а так же, для редактирования и печати карт на бумаге, что сильно упростило жизнь специалистам-картографам.

Широкое распространение в России ГИС получили только в конце 1980-х - в начале 1990-х годов. До этого геоинформационные системы применялись только Министерством Обороны и некоторыми другими государственными организациями.

Колоссальный прорыв в развитии геоинформационных систем произошел с появлением персональных компьютеров. ГИС быстро адаптировались к новой, более дешевой платформе, и цена систем начала постепенно падать, а число пользователей и организаций, которые могли позволить себе ГИС, соответственно, возрастать.

На данный момент, геоинформационные системы - один из наиболее бурно развивающихся сегментов рынка высоких компьютерных технологий, в котором работает большое количество крупных фирм, таких как Google, NASA, Refractions Research, Intergraph, Grass Development Team (GRASS GIS), Microsoft, ESRI (ARC GIS), Autodesk, CalComp и многих других.

3. Географические информационные системы

3.1 Понятие о Геоинформационной системе (ГИС)

Геоинформационная система (ГИС) - это программно-аппаратный комплекс, решающий совокупность задач по хранению, отображению, обновлению и анализу пространственной и атрибутивной информации по объектам территории. Одна из основных функций ГИС - создание и использование компьютерных (электронных) карт, атласов и других картографических произведений [8]. Основой любой информационной системы служат данные. Данные в ГИС подразделяются на пространственные, семантические и метаданные.

Пространственные данные - данные, описывающие местоположение объекта в пространстве. Например, координаты угловых точек здания, представленные в местной или любой другой системе координат. Семантические (атрибутивные) данные - данные о свойствах объекта. Например, адрес, кадастровый номер, этажность и прочие характеристики здания.

Метаданные - данные о данных. Например, информация о том, кем, когда и с использованием какого исходного материала, в систему было внесено здание [13].

Основу ГИС составляют автоматизированные картографические системы, а главными источниками информации служат различные геоизображения.

Геоинформатика - наука, технология и производственная деятельность:

- по научному обоснованию, проектированию, созданию, эксплуатации и использованию географических информационных систем;

- по разработке геоинформационных технологий;

- по прикладным аспектам или приложениям ГИС для практических или геонаучных целей.

Геоинформационные системы - это также компьютерные системы, позволяющие эффективно работать с пространственно-распределенной информацией.

Пространственно-распределенная информация - это то, с чем человек сталкивается практически каждый день вне зависимости от рода своей деятельности. Это может быть схема метро или план здания, топографическая карта или схема взаимосвязей между офисами компании, атлас автомобильных дорог или контурная карта и многое другое. ГИС дает возможность накапливать и анализировать подобную информацию, оперативно находить нужные сведения и отображать их в удобном для использования виде. Применение ГИС-технологий позволяет резко увеличить оперативность и качество работы с пространственно-распределенной информацией по сравнению с традиционными методами картографирования. Проще говоря, ГИС созданы с целью автоматизации обработки пространственно-распределенной информации с помощью современных компьютерных методов.

Основное отличие ГИС от других информационно-аналитических систем в специфике обрабатываемых и анализируемых данных - это пространственные данные. Информация об этих пространственных данных в цифровой форме называется геоинформацией.

Геопространство - разновидность пространства, характеризующаяся протяженностью, динамичностью, структурностью, непрерывностью

Геоинформация - это координированная информация о геопространстве и его объектах в цифровой компьютерно-воспринимаемой форме, предназначенная в качестве исходного материала для моделирования геопространства.

На основе всего вышесказанного можно дать еще одно определение ГИС:

ГИС - это современная компьютерная технология для картирования и анализа объектов реального мира, а также событий, происходящих на нашей планете, в нашей жизни и деятельности.

ГИС-технология объединяет традиционные операции при работе с базами данных, такими как запрос и статистический анализ, с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. Возможность визуализации и пространственного анализа отличают ГИС от других информационных систем и обеспечивают уникальные возможности для ее применения в широком спектре задач. Эти задачи связаны с анализом и прогнозом явлений и событий окружающего мира, с осмыслением и выделением главных факторов и причин, а также их возможных последствий, с планированием стратегических решений и текущих последствий предпринимаемых действий.

3.2 Функции и достоинства ГИС

Основными функциями ГИС являются:

- геопространственный анализ специальных и общегеографических данных;

- моделирование геопространства - создание моделей геопространства;

- сбор и подготовка геоинформации - получение исходных данных для моделирования;

- визуализация - требуется для контроля и восприятия человеком результатов пространственного анализа.

Геоинформационные системы обладают рядом преимуществ по сравнения с обычными информационными системами, как в визуальном представлении пространственных данных, так и в проведении анализа этих самых данных.

В области визуального представления:

- многослойность карт созданных с помощью ГИС означает, что однотипные пространственные объекты расположены в отдельном слое, который можно включить или отключить;

- ГИС обладают способностью внесения полноценного масштабного ряда, то есть возможность создания в одной ГИС карт разного масштаба и отображение нужной из них;

- существует возможность трёхмерного представления карты;

- цифровую карту, созданную с помощью ГИС, можно вывести на печать и получить полноценную бумажную копию.

В области аналитики географические информационные системы также имеют несколько очень важных преимуществ:

- автоматизированный расчет длин, площадей, буферных зон, экспозиции;

- возможность вносить любое количество информации на карту;

- оперативное изменение данных.

Неотъемлемой составной частью ГИС является база данных - геоинформационная система обладает способностью проводить обработку данных с использованием всех функций, которые предоставляет система управления базой данных. При использовании ГИС запрос к базе данных может быть уточнен введением дополнительных параметров, что делает поиск более быстрым и удобным.

Вопросы, на которые может ответить ГИС: что находится в…? (определяется место); где это находится? (пространственный анализ); что изменилось начиная с…? (определить временные изменения на определенной площади); какие пространственные структуры существуют?; что если? (моделирование, что произойдет, если, например, добавить новую дорогу).

3.3 Принцип действия ГИС

МЧС России утверждает, что если вовремя узнать о надвигающейся опасности и ее возможных последствиях, большую беду можно предотвратить. У нас в стране прогнозом чрезвычайных ситуаций (ЧС) занимается Центр мониторинга и прогнозирования ЧС МЧС России, активно взаимодействующий с научными учреждениями Министерства науки, Росгидромета, а также службами спасения.

Основные инструменты прогноза - географические информационные системы (ГИС), объединяющие накопленные и формализованные данные о катастрофах, информацию множества датчиков, имитационные модели опасных природных и техногенных процессов. Прогнозирование предполагает творческое участие различных экспертов, принимающих решение коллективно, при обсуждении варианта опорного прогноза.

Анализ тенденций развития прогностических систем показывает, что последние всё больше зависят от возможностей Internet: «всемирная паутина» обеспечивает оперативный сбор информации, коллективную работу экспертов и многое другое.

Достоверные прогнозы ЧС должны публиковаться в сети Internet - в этом случае данные о характере бедствия и возможных последствиях будут доступны ответственным государственным организациям, спасательным службам и физическим лицам.

Адекватность результатов прогнозирования определяется качеством основных и вспомогательных узлов представленной на рисунке 1 информационной системы. Основные требования к ней - высокая оперативность, достаточная надежность, защищенность от несанкционированного доступа. Следует помнить, что скорость изменения параметров, которые используются при прогнозировании динамики опасного события, достаточно велика, потоки обрабатываемых данных предельно насыщены (цифровые карты, снимки местности, телеметрия). Вполне понятно, что простых, а тем более идеальных решений столь сложной информационной задачи пока не предложено.

Рассмотрим в самом общем виде схему взаимодействия организаций, занятых мониторингом, прогнозированием и оценкой возможных последствий лесных пожаров (рис. 1).

Службы прогнозирования Росгидромета (первичной информацией для них являются результаты измерений, передаваемых с автоматических метеорологических станций, и спутниковая информация) формируют и передают файлы, содержащие пространственные координаты пунктов наблюдений, а также данные о состоянии атмосферы и осадках по многим параметрам. Там же формируются файлы с прогнозом погоды на различные отрезки времени.

Рис. 1. Схема взаимодействия при осуществлении мониторинга и прогнозирования лесных пожаров

Необходимая для прогноза опасности лесных пожаров информация идет в центр прогнозирования МЧС России. Здесь она накапливается, выявляются зоны с устойчиво благоприятной для возгорания растительности погодой. Исходя из этого и некоторых других факторов (например, молниевой активности), специалисты формируют прогноз пожарной опасности, представляемый в виде тематической карты с соответствующими зонами.

На основе этой карты создается план наблюдений за лесами, а также разрабатываются планы превентивных мероприятий. (Одним из пунктов таких планов является предупреждение населения о возможной опасности.) Обнаруженные очаги лесных пожаров наносятся на оперативную карту, которая позволяет прогнозировать развитие событий и планировать мероприятия по ликвидации очагов.

Результаты оценки пожарной опасности территорий доступны Службе разведки лесных пожаров. Карта очагов прежде всего в эту службу и попадает.

На всех этапах работы активно используются массивы цифровой картографической информации и снимки местности. Третьи организации и лица получают информацию о лесных пожарах через СМИ.

Эта схема жестко регламентирована, что может уменьшить эффект от применения результатов прогноза. ГИС способны повысить гибкость, демократичность и эффективность схемы за счет развитых инструментов администрирования и разграничения доступа. Конечно, эти средства не заменят весь набор прогностических моделей и уж, конечно, в процессе прогнозирования не обойтись без существующих массивов цифровой картографической и тематической информации.

Рассмотрим, что можно с помощью ГИС:

- доступ через Internet к векторным и растровым картам, а также снимкам местности;

- доступ к данным об источниках опасности (такие сведения предоставляют многие международные агентства и оперативные службы);

- эффективные серверные и клиентские приложения, обеспечивающие взаимодействие экспертов и пользователей (в интерактивном режиме и с использованием картографического интерфейса, удобного для всех структур МЧС России, Росгидромета и служб спасения);

- серверные и клиентские приложения для публикации прогнозов в Internet;

- программные средства, позволяющие создавать собственные (клиентские) приложения для работы через Internet с картами прогноза и соответствующим информационным ресурсом.

Говоря о столь важном этапе работы, как публикация результатов прогноза в Internet, следует отметить, что наиболее подходящими здесь являются специальные программные продукты, предоставляющие пользователю как векторные, так и растровые карты, а также возможность интерактивной работы с ними.

3.4 Программное обеспечение ГИС

Многим экстремальным природными и техногенным явлениям присущи пространственные и временные закономерности. Землетрясения происходят, как правило, на месте стыка тектонических плит и влияют на жизнь целых регионов. Паводки возникают либо от весеннего снеготаяния, либо от проливных дождей, после чего сотни рек выходят из берегов и затапливают огромные территории. Во время засух природные пожары ежегодно уничтожают миллионы гектаров лесных массивов по всему земному шару. К самым тяжелым последствиям приводят аварии на опасных объектах, вызванные землетрясениями, пожарами и наводнениями. В этих условиях геоинформационные технологии являются самым эффективным инструментом для создания системы прогнозирования и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций (ЧС).

За малым исключением ГИС различных функциональных возможностей и назначений, от ГИС городов до автоматизированного рабочего места управления в кризисных ситуациях, широко применяются во всех структурах МЧС России. Любая ГИС в совокупности с применяемыми приложениями по оценке последствий возникших или возможных ЧС имеет широконаправленные возможности по сбору, обработке и анализу складывающейся обстановки. Такая ГИС гибкий, быстрый и мощным инструмент, предназначенный для поддержки принятий решений органами управления МЧС России. Для увеличения функциональных возможностей этого инструмента в области предупреждения и ликвидации ЧС в научных подразделениях МЧС России разрабатываются программные продукты, предназначенные для решений различных задач, связанных с расчетами и оценкой опасностей в чрезвычайных ситуациях. Эти программы направлены на улучшение качества принятия решений по обеспечению различных видов безопасности (промышленная, радиационная, химическая, сейсмическая, пожарная и др.). Написанные расчетные программы на основе утвержденных методик, созданных математических моделей, результатов научно-исследовательских работ отлично себя зарекомендовали, но только их интеграция в геоинформационные системы более полно раскрыла все их возможности.

Так, например, ВНИИ ГОЧС в кооперации с Центром исследования экстремальных ситуаций и Военно-инженерным университетом уже более десяти лет создает специализированную геоинформационную систему (ГИС) «Экстремум» - комплексное программное средство, включающее картографические и атрибутивные базы данных, модели для прогнозирования ЧС и их последствий, сценарии реагирования при землетрясениях, природных пожарах, наводнениях, техногенных катастрофах. ГИС работает в двух режимах - исследовательском и оперативном. Первый предназначен для решения научно-практических задач по заблаговременной оценке рисков; изучения различных факторов, влияющих на уровень риска; оценки эффективности мероприятий по его снижению и управлению им. Оперативный режим служит для определения эффективных мероприятий по немедленному реагированию на ЧС.

В базах данных ГИС хранится как постоянная, так и периодически обновляемая информация, которая группируется в несколько информационных массивов:

Группа баз данных цифровых топографических карт масштабов 1:5 000 000, 1:1 000 000, 1:100 000, 1:10 000 и 1:2000. Мелкомасштабные карты дают общую информацию о топографии района. Крупномасштабные позволяют описывать структуру городов, населенных пунктов и отдельных объектов. Карты разломов и инженерно-геологических условий дают геологическую характеристику среды. Эта информация дополняется детальными гидрографическими данными. Структура массива соответствует российским стандартам для электронных карт.

Базы данных о населении и застройке по всему земному шару (около двух миллионов населенных пунктов). Города представляются в векторном виде - как с детализацией до отдельного здания с набором параметров (тип сооружения, материал и дата постройки, количество этажей и пр.), так и в описании обобщенными данными, например, распределением разных типов зданий в пределах города или микрорайонов; есть также информация о распределении людей в зданиях и городе в течение суток.

Данные об инфраструктуре и системах жизнеобеспечения, в том числе о железных дорогах, автомагистралях, аэродромах, о силах и средствах, которые могут быть задействованы в случае возникновения чрезвычайной ситуации, и пр. Параметры законов разрушения зданий, поражения людей, а также параметры моделей для определения перечня мероприятий по снижению рисков и оперативному реагированию. Кроме того, ГИС содержит информацию о факторах техногенного риска: о химически, пожаро- и взрывоопасных объектах, АЭС и ГЭС, о плотинах, магистральных нефте- и газопроводах и др. В базы данных включен каталог всех известных сильных землетрясений. И наконец, в ГИС имеются данные мониторинга: сейсмологические, геофизические, GPS-наблюдения, инженерно-сейсмометрические и гидрологические наблюдения, космические снимки и пр. Все группы информационных массивов связаны единым координатным пространством и единой системой мер.

Вся информация в системе представлена в формате MS Access (MDB) и может быть обработана при помощи любого языка программирования, поддерживающего этот формат. Предусмотрены и варианты экспорта/импорта данных в другие форматы (DBF, MIF-MID, Excel).

На основе разработанных во ВНИИ ГОЧС методик созданы математические модели прогнозирования ЧС, планирования мероприятий по смягчению их последствий и оперативному реагированию на них. Эти модели позволяют получить:

- распределение интенсивностей землетрясений, значения максимальных ускорений колебаний грунта и их повторяемость;

- поля поражающих факторов в случае аварий на опасных объектах;

- законы разрушения зданий различных типов, характерных для рассматриваемого региона;

- законы поражения людей, учитывающие специфику территории;

- оценки последствий землетрясений, вторичных природных и техногенных процессов;

- оценки последствий на пожаро- и взрывоопасных, радиационно- и химически опасных объектах;

- оценки индивидуальных сейсмических рисков, инженерных, экономических и комплексных рисков.