Санкт-Петербургский государственный университет

В.Ю. Третьяков, в.П. Кулеш автоматизированная обработка экологиче­ской информации

Учебное пособие

Санкт-Петербург

2005

УДК 519.2:504.064.2

ББК 20.1

Т66

Рецензенты: докт. геогр. наук Г.К. Осипов (НИО-3 ЗАО «Институт телекоммуникаций»),

докт. геогр. наук В.А. Шелутко (Российский государ-

ственный гидрометеорологический университет)

Печатается по решению

Ученого совета Учебно-научного центра

географии и геоэкологии

Санкт-Петербургского государственного университета

Третьяков В.Ю., Кулеш В.П.

Т66 Автоматизированная обработка экологической информации: Учеб. пособие. – СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2005. – 88 с.

ISBN 5-288-03635-7

В пособии рассмотрены методы компьютерной обработки первичной экологической информации. Особое внимание уделено методам проверки дан­ных на однородность. Представлены листинги созданных для обработки и ана­лиза экологических данных рабочих областей программного пакета Mathcad.

Пособие предназначено для студентов географических факультетов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям “Геоэкология”, “Природопользование”, “География” и направлению “Экология и природополь­зование”.

ББК 20.1

© В.Ю. Третьяков, В.П. Кулеш, 2005

© Факультет географии и геоэкологии

Санкт-Петербургского государственного

ISBN 5-288-03635-7 университета, 2005

Введение

Практически любая научно-исследовательская работа в сфере геоэкологии предпола­гает обработку данных непосредственных наблю­дений и измерений. Разумеется, возможен случай, и он, к сожалению, является распространенным в курсовых работах и не только в них, ко­гда исследование подменяется бездумной компиляцией из различных источников. Однако настоящее научное исследование предполагает анализ информации и её последующий синтез.

Термин “информация” является общеупотребительным, он за­частую рассматривается как синоним слов “сообщение”, “сведения”, “сигнал”, “данные”, “знания”. Однако эти понятия существенно различаются по своей сути. Под “данными” понимается совокупность фактов, представленных в каком-либо формализованном виде (в количественном и качественном выражении) для их использования в научных исследованиях или других сферах человеческой деятельности. Данные соответствуют зарегистрированным фактам, описывающим какие-либо явления. Термин данные происходит от латинского «datum», буквально означающего “факт”. Непосредственно данные не содержат смысловой составляющей, в них ещё нет семантики, т.е. отражения структуры и законов мироздания. В самих данных нет ответа на вопрос: «А что это означает?», они являются сырьем, которое путем переработки можно превратить в информацию, т.е. данные – строительный материал для создания информации. Информация – это смысл, вкладываемый человеком в данные. Последние рассматриваются как объект обработки и основа для получения информации. Данные представляются в форме, удобной для пересылки, интерпретации и обработки человеком или автоматическими средствами. Знания в философском их понимании – отражение семантических аспектов реальности, т.е. её структуры и законов в сознании человека или в технической системе.

Существуют и другие определения информации. Так, информация подразделяется на три рода. Информация первого рода - это фактические результаты непосредственных измерений. То есть при таком определении информация первого рода тождественна понятию «данные», в ней ещё нет семантической составляющей. Затем информация подвергается обработке: классификации, статистической обработке, составлению таблиц, карт, атласов, диаграмм и т.д. Это вторичная информация первого вида, «полуфабрикат», в котором ещё нет семантической (смысловой) составляющей, но на основании этого «полуфабриката» можно получить вторичную информацию второго вида, в которой уже содержится смысловое содержание. Вторичная информация представляется на специфическом языке данной науки и рассчитана для потребления специалистами в данной области знания. Вторичная информация второго вида содержит выводы, обобщения, выявленные закономерности, гипотезы, теории. Данный вид информации представляется в виде научных отчетов, статей, курсовых, дипломных, диссертационных работ, монографий. В общем случае первичная информация может быть преобразована во вторичную информацию многими способами. При этом на основании одной и той же первичной информации можно в принципе получить различающуюся и даже противоречивую вторичную информацию: различные выводы, гипотезы, представления. Затем вторичная информация преобразуется в третичную информацию, предназначенную для "лиц, принимающих решения": представителей власти, управляющих производством и т.д. Третичная информация представляет собой рекомендации или методики, написанные доступным для неспециалистов языком. Ясно, что адекватность преобразования геоэкологической информации может быть обеспечена лишь адекватностью реальности представлений о функционировании и развитии геосистем.

Экология представляет собой не единую науку, а целый комплекс научных дисциплин. Геоэкология в отличие от классической биологической экологии акцентирует свое внимание на функционировании природных объектов, подвергающихся антропогенному воздействию. Объектами изучения геоэкологии служат геосистемы. Различие между терминами «геосистема» и «экосистема», прилагаемыми к одному и тому же природному объекту заключается в том, что в «экосистеме» основной упор делается на биотическую составляющую, а среда рассматривается в качестве воздействующего на живое вещество (организм, популяцию, сообщество, биоценоз) агента; для «геосистемы» характерно «равноправие» биоценоза и биотопа. Кроме того, «экосистема» является функциональной единицей, для её идентификации необходимо представить её структуру и особенности функционирования, но нет необходимости в определении её пространственных границ. Геосистема же требует кроме функционального определения также указания её пространственного расположения. Элемент геоэкологических данных содержит три главные компоненты: атрибутивные сведения, которые описывают сущность характеристики; географические сведения, описывающие положение элемента в пространстве; временные сведения, описывающие момент или период времени, к которым относится элемент данных.

Геоэкология предполагает системный (кибернетический) подход к исследованию геосистем, которые рассматриваются как кибернетические системы, получающие извне вещество, энергию и информацию, потребляющие их, преобразующие, перераспределяющие между различными своими компонентами и выделяющими за свои пределы материю, энергию и информацию в иных формах. Геоэкология является синтезирующей наукой, интегрирующей достижения целого комплекса естественных, точных и социальных наук.

Геоэкологические исследования предполагают выяснение пространственной и функциональной структуры природных объектов, взаимосвязей между компонентами геосистем, количественных характеристик потоков вещества и энергии между компонентами геосистем и различными геосистемами. Системность всегда связана с определенной формой организованности, которая является свойством объекта как целого, она не присуща отдельным его элементам, например жизнь организма.

Любая естественная наука в своем развитии проходит ряд этапов, эти же этапы характерны для конкретного исследования: 1) накопления информации об объектах (сбор первичной информации), 2) упорядочивания – классификация объектов (вторичная информация первого вида – для облегчения анализа изучаемого объекта или явления), 3) установление эмпирических связей, качественных и количественных соотношений между объектами – вторичная информация второго вида. Затем выделяются взаимосвязи, определяющие функционирование системы. После этого начинается математическое моделирование процессов в системе на основе выделения существенных свойств исследуемого явления и их величин. Таким образом, налицо следующие этапы развития науки – 4) установление величин и 5) математическое моделирование. Они тесно связаны с последующим этапом – установлением связей и соотношений уже не на эмпирической основе, а методом дедукции на основе разработанных теорий и моделей.

Своеобразие современного периода исследований окружающей среды состоит в том, что если ранее цели и средства антропогенного изменения окружающей среды не зависели от результатов моделирования, то теперь существует или должна существовать обратная связь – от моделирования к целям и средствам преобразования. Модель может дать предварительное объяснение и предсказание поведения природной системы, помочь при планировании и оценить эффекты антропогенных воздействий. Использование моделей для прогноза функционирования природных систем является средством познания. При антропогенном воздействии на геосистему или ее целенаправленном преобразовании модель служит в качестве инструмента, обеспечивающего оптимальное управление функционированием и развитием геосистемы.

Зачастую под экологическим исследованием понимают констатацию данных, опи­сывающих пространственно-временную динамику загрязнителей в окружающей среде. Однако в таком случае в данном исследовании экология «и не ночевала». Очевидно, что современные экологические исследования не должны ограничиваться этапом сбора пер­вичных данных – необходимо построение моделей функционирования геосистем, прогноз поведения геосистем в условиях возрастающей антропогенной нагрузки. Насущной по­требностью является оптимизация природопользования. Для этого необходимо знать, как существует или существовала геосистема в условиях отсутствия антропогенного воздей­ствия, какие её компоненты (блоки) наиболее подвержены антропогенному воздействию, какова специфика функционирования экосистемы в условиях антропогенной нагрузки. Необходима разработка критериев определения экологически обоснованной антропоген­ной нагрузки на различные типы природных объектов, устойчивости природных объектов к различным видам антропогенных воздействий, классификации объектов по степени на­рушенности среды и экологической безопасности. И действительно, за последние десяти­летия произошло революционное изменение в содержании экологических исследований. Если ранее основным результатом являлось получение информации первого рода, то те­перь требуется информация второго и особенно третьего рода. Необходимы конкретные рекомендации по оптимизации природопользования самых различных пространственно-временных масштабов.

Поскольку геоэкологические исследования носят комплексный характер, они включают в себя методы целого комплекса географических, биологических, геологиче­ских, естественных наук. Поэтому и геоэколог, и природопользователь, т.е. специалист по рациональному использованию природных ресурсов обязаны иметь очень широкое образование. Естественно, что специалисты данных направлений не могут иметь столь же глубокие знания, как узкие специалисты в конкретных областях знания. Естественно, что методику химического анализа лучше него разработает химик, он же лучше и выполнит сам анализ, расчет модуля стока лучше эколога выполнит узкий специалист-гидролог и т.д. Главное, что должен уметь геоэколог - создавать информацию о состоянии окружаю­щей среды на основании разнородной, зачастую неполной, не достаточно точной и, воз­можно противоречивой информации, прогнозировать развитие экологической ситуации в случае принятия тех или иных управленческих решений, подготавливать экологическое обеспечение управления административными и народно-хозяйственными объектами. Дру­гими словами, “выжимать” смысловое содержание из “вороха” разнородной информации. Смысл работы эколога - связывать воедино данные из самых различных направлений науки. Специализация геоэколога - не получение первичной информации (это лучше него сделает специалист в каждой конкретной области), и даже не получение вторичной ин­формации в рамках узких областей знания, а анализ и последующий синтез совершенно разнородной первичной и вторичной информации, полученной узкими специалистами. Основная задача эколога - получение новой вторичной экологической информации на уровне обобщений, гипотез, прогнозов и выработка далее третичной информации - экс­пертных оценок и рекомендаций. Разумеется, эколог должен обладать определенным ба­гажом знаний по методам получения первичной информации, но при этом совершенно необходимо в полной мере владеть информационными технологиями.

Необходимость автоматизированной компьютерной обработки данных связана с тем, что реальной стала ситуация избытка данных и недостатка информации. Дистанци­онное многоканальное зондирование поверхности Земли с космических аппаратов позво­ляет ежесуточно неоднократно получать информацию о состоянии поверхности всего Земного шара. Широкое распространение получили автономные измерительные системы, информационно-измерительные системы, поставляющие данные по многим параметрам в компьютерную сеть, затем результаты измерений автоматически "складируются" на маг­нитный носитель или компакт-диск. Разумеется, затем очень остро встаёт проблема авто­матизированной обработки результатов, ибо о неавтоматизированной обработке не при­дется даже и говорить. Поэтому довольно распространен случай, когда различные носи­тели информации «загромождены» данными за многие годы, которые ещё не смогли об­работать и проанализировать.

Экологическая информация может быть числовой и нечисловой (вербальной, сим­вольной). В любом случае необходимость автоматизированной обработки требует хране­ния информации в файлах определенной строгой структуры. Здесь очевидна взаимосвязь данного курса с дисциплиной «Базы данных», посвященной хранению данных в специа­лизированных файлах жесткой структуры и их обработке при помощи СУБД – систем управления базами данных.

Математика предлагает геоэкологу различные методы обработки и преобразования данных – здесь заключается взаимосвязь данного курса с курсом «Численные методы». Методы обработки данных с использованием стандартных программных пакетов приме­няются в основном на этапе преобразования первичной информации во вторичную пер­вого вида. Специфика имитационного моделирования геосистем рассматривается в соот­ветствующем курсе. Специалист геоэколог должен представлять, какие методы обработки данных применимы для решения данной задачи, и какие стандартные программные па­кеты предоставляют эти методы обработки. Разумеется, он должен знать, как правильно осуществить обработку данных в применяемом программном пакете. Естественно, что число существующих программных пакетов весьма велико и нет возможности рассмот­реть их все, тем более что периодически появляются новые программные пакеты.

Применение компьютерных программных пакетов может сыграть злую шутку с исследователем, если он рассматривает пакет как некий «черный ящик», в который он «запихивает» информацию, а затем нажимает на «какие-то кнопки», стремясь на выходе получить «приятные глазу картинки», не представляя себе, какие процессы обработки данных выполнял данный программный пакет и как интерпретировать их результаты. Прежде чем дать компьютеру команду на выполнение какого-либо анализа данных, необходимо четко представлять, в каких случаях применяется данный вид анализа и каковы накладываемые на него ограничения. По­этому в пособии основной упор сделан на подходах к решению типичных задач, встающих при проведении экологических исследований. В пособии не представлены инструкции пользователя конкретных программных пакетов (для этого есть соответствующая литература и справочники самих программных пакетов). Тем не менее, не умаляя достоинства других программных пакетов, заметим, что рядом преимуществ обладает пакет Mathcad. Его основное достоинство – прозрачность выполнения действий, которые последовательно заносятся в рабочие области и могут быть в любое время просмотрены любым пользователем и удобство программирования, которое практически совпадает с написанием уравнений и не требует изучения специального алгоритмического языка, а также широкие возможности импорта данных и экспорта результатов в файлы внешних форматов. Поэтому типовые задачи и примеры реализованы в среде пакета обработки данных Mathcad.

Недостаточная глубина понимания специалистами методов автоматизированной обработки данных связана, на наш взгляд, с таким подходом в их преподавании или изучении, когда сперва подробнейшим образом рассматриваются теоретические математические обоснования какого-либо метода, а области его применения в данной естественной или социальной науке в лучшем случае рассматриваются весьма отвлеченно. Нами исповедуется другой подход: от задач к методам, поскольку данное пособие рассчитано на студентов экологов-географов.