Основы информационной безопасности. Учебное пособие для СПО

Методы. Успешность и эффективность применения ГИС во многом зависят от правильно составленного плана и правил работы, которые обусловлены спецификой решаемых задач.

ГИС-моделирование — создание многослойной электронной карты, в которой опорный слой описывает географию определенной территории, а каждый из остальных слоев — один из аспектов состояния этой территории. Выявление взаимосвязей, прогнозирование, оценка объектов и явлений осуществляются на основе различного сочетания и сопряженного анализа этих слоев.

Любая географическая информация содержит сведения о пространственном положении, будь то привязка к географическим или другим координатам, ссылки на адрес, почтовый индекс, избирательный округ или округ переписи населения, идентификатор земельного или лесного участка, название дороги и т.п. При использовании подобных ссылок для автоматического определения местоположения или местоположений объектов применяется процедура, называемая геокодированием. С ее помощью можно быстро определить и посмотреть на карте, где находится интересующий вас объект или явление.

ГИС может работать с двумя существенно различающимися типами данных — векторными и растровыми. В векторной модели информация о точках, линиях и полигонах кодируется и хранится в виде набора координат X, Y. Местоположение точки (точечного объекта), например, буровой скважины, описывается парой координат (X, Y). Линейные объекты, такие, как дороги, реки или трубопроводы, сохраняются как наборы координат X, Y. Полигональные объекты, типа речных водосборов, земельных участков или областей обслуживания, хранятся в виде замкнутого набора координат. Векторная модель особенно удобна для описания дискретных объектов и меньше подходит для описания непрерывно меняющихся свойств, таких как типы почв или доступность объектов. Растровая модель оптимальна для работы с непрерывными свойствами. Растровое изображение представляет собой набор значений для отдельных элементарных составляющих (ячеек), оно подобно отсканированной карте или картинке. Обе модели имеют свои преимущества и недостатки. Современные ГИС могут работать как с векторными, так и с растровыми моделями.

ГИС обычно выполняет с данными пять процедур: ввод, манипулирование, управление, запрос и анализ, визуализацию.

Географическая информационная система «Радиационная безопасность» (ГИС РБ), разработанная в лаборатории геоинформатики Института геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии (ИГЕМ) РАН, ориентирована на контроль, анализ и моделирование ситуаций радиационной опасности в различных регионах страны.

111

ГИС РБ позволяет хранить в цифровом виде и отображать сведения о состоянии радиационной обстановки на территории России, прилегающих зарубежных стран, а также отдельных регионов, областей и районов, представляющих особый интерес с точки зрения контроля радиоэкологической безопасности.

Центральное звено ГИС РБ — картографическая база данных, включающая набор разномасштабных цифровых топографических карт с вынесенными на них потенциально опасными объектами. Данные об объектах по конкретной территории разнесены по отдельным слоям. В частности созданы следующие

цифровые топографические карты:

•цифровая топографическая карта России и сопредельных стран (масштаб 1:5 000 000) с указанием основных объектов, представляющих потенциальную радиационную опасность;

•цифровая карта Баренцева и Карского морей (масштаб 1:500 000) как иллюстрация уровней и основных направлений переноса радионуклидов;

•цифровая карта радиоактивного загрязнения Cs-137 европейской части

иУральского региона России, Украины, Белоруссии, Молдавии, стран Прибалтики и Западной Грузии (масштаб 1:5 000 000);

•цифровые карты Восточно-Уральского радиоактивного следа (масштаб

1:1 000 000 и 1:200 000).

В Москве с использованием ГИС-технологий (ARC/INFO, ArcView GIS и ArcExplorer) на основе нормативно-правовых, методических, аналитических и картографических материалов разработана единая информационная система природного комплекса центральной части города. Система предназначена для инвентаризации зеленых насаждений, паспортизации озелененных территорий

иподдержки принятия решений по регулированию хозяйственного использования и строительства в центральной части Москвы, которое призвано обеспечить сохранение, восстановление и развитие природных компонентов городской среды.

Анализ сельскохозяйственных и геохимических свойств почв с использованием ГИС-технологий (который был проведен на Украине) позволяет создать

информационно-аналитическую систему для оценки геохимического состояния геологической среды, обеспечивающую решение ряда важных задач: определение и картографическое отображение пространственного распределения элементов между сельскохозяйственными угодьями и территориями, не охваченными сельскохозяйственным производством; прослеживание и картографическое отображение пространственно-временных изменений геохимических параметров агроландшафтов на протяжении последних 20–30 лет; определение

112

Экспериментальный центр по изучению лесов с помощью ГИС создал карты лесных угодий Нойемберян и Козман в северной части Республики Армении. Применение этих информационных технологий позволило получить детальное представление обо всех аспектах лесных экосистем, которые необходимо учитывать в процессе принятия решений лицами, отвечающими за управление этими территориями.

В Индонезии ГИС-технологии применяются для определения областей картографирования известных и вероятных мест обитания последних диких тигров острова Суматра и определения мер по их охране.

Дистанционные методы изучения окружающей среды. Бесспорно,

важнейшие качества данных, используемых в процессе принятия решения, — актуальность, полнота и объективность. Всеми этими качествами обладают данные дистанционного зондирования (ДДЗ) Земли. Они служат эффективным инструментом, позволяющим оперативно и детально исследовать состояние окружающей среды, использование природных ресурсов и получать объективную картину мира.

Дистанционное зондирование — получение информации о земной поверхности (включая расположенные на ней объекты) без непосредственного контакта с ней путем регистрации приходящего от нее электромагнитного излучения. Методы дистанционного зондирования основаны на том, что любой объект излучает и отражает электромагнитную энергию в соответствии с особенностями его природы. Различия в длинах волн и интенсивности излучения могут быть использованы для изучения свойств удаленного объекта без непосредственного контакта с ним. Дистанционное зондирование сегодня — это огромное разнообразие методов получения изображений практически во всех диапазонах длин волн электромагнитного спектра (от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной) и радиодиапазона, самая различная обзорность изображений — от снимков с метеорологических геостационарных спутников, охватывающих практически целое полушарие, до детальных аэросъемок участка в несколько сот квадратных метров.

Основные достоинства дистанционного мониторинга следующие:

• наблюдаются и регистрируются сведения об обширных пространствах вплоть до всей видимой в момент съемки части земного шара;

• благодаря большой обзорности можно прослеживать глобальные и крупные региональные особенности природы Земли;

113

•космические снимки дают однотипную информацию о труднодоступных районах с такой же точностью, как и для хорошо изученных участков, что позволяет эффективно применять метод экстраполяции дешифровочных признаков на основе выделения ландшафтов-аналогов;

•мгновенность изображения обширных площадей сводит к минимуму влияние переменных факторов;

•возможность регулярного проведения повторных съемок позволяет выбрать лучшие изображения;

•по материалам повторных съемок изучается динамика природных про-

цессов;

•комплексный характер информации, содержащейся на космоснимках, обусловливает использование их для изучения сложных процессов взаимодействия компонентов природы: атмосферы и океана, гидрологических процессов

слитогенной основой, животных и растений со всем многообразием условий их обитания;

•благодаря естественной генерализации изображения на космических снимках отображаются наиболее крупные и существенные элементы ландшафтной структуры географической оболочки и следы антропогенного воздействия.

Использование данных дистанционного зондирования Земли возможно в разных областях, как научных, так и прикладных. Перечислим эти области, а затем рассмотрим на конкретных примерах возможности использования данных дистанционного зондирования.

Сельское хозяйство:

•инвентаризация сельскохозяйственных угодий;

•выделение и идентификация различных типов сельскохозяйственных культур;

•сельскохозяйственное почвоведение;

•сельскохозяйственная гидрология;

•сельскохозяйственная метеорология (учет климатических особенностей районов земледелия с целью определения их сельскохозяйственного потенциала);

•предотвращение сельскохозяйственных катастроф, естественных (заморозков, засух, нашествий насекомых, дефляции) и антропогенных (загрязнений, пестицидов);

•прогнозирование урожаев (выявление областей, в которых потенциально возможны сельскохозяйственные катастрофы, при проведении ирригационных работ, а также при определении областей, подверженных эрозиям

114

и обезвоживанию; измерение распределения индекса вегетации сельскохозяйственных культур, который необходим при определении объемов и качества урожая, планировании необходимых средств для переработки, хранения и перевозки сельскохозяйственной продукции);

• анализ сельскохозяйственного потенциала.

Климатология, контроль глобальных атмосферных изменений:

•измерение концентрации газов, вызывающих «парниковый» эффект

(N2O, CH4, СО2);

•контроль содержания атмосферного озона;

•исследование радиационного баланса Земли (измерение количества энергии, излучаемой и отражаемой планетой. Эта информация необходима для изучения механизма преобразования энергии атмосферой, поверхностью суши

иокеаном, в результате которого поддерживается необходимое энергетическое равновесие. В свою очередь, результаты изучения радиационного баланса используются для моделирования и прогнозирования глобального климата. Кроме того, на региональном уровне эта информация позволяет учитывать происходящие климатические изменения при решении, например, сельскохозяйственных проблем, в задачах землепользования и т.д.);

•измерение солнечной постоянной;

•измерение температуры поверхности;

•контроль содержания аэрозолей в земной атмосфере;

• контроль загрязнения атмосферы (определение общего содержания и распределения газов в атмосфере по вертикали; картирование местоположения локальных источников загрязнения (целлюлозно-бумажных комбинатов, сталелитейных заводов, нефтеперерабатывающих предприятий, химических заводов, горно-обогатительных комбинатов и т.д.); наблюдение за отдаленными районами захоронения токсичных веществ);

•наблюдение за перемещением облаков;

•измерение температуры и топографирование поверхности морей

иокеанов;

•наблюдение облачного покрова (определение типов облаков, сплоченности облачного покрова и температуры верхней части облаков; получение стереоскопических изображений облаков);

•измерение вертикального профиля температуры (необходимо при построении численных моделей погоды, контроля многолетних глобальных температурных изменений, при изучении взаимосвязи климата с параметрами атмосферы, уточнении численных моделей атмосферы; может быть использовано

115

для определения структуры высотных ветров (геострофических ветров), которая, в свою очередь, является основой штормопредупреждения и прогнозирования опасных приповерхностных ветров);

•наблюдение конвективных облаков;

•анализ особенностей транстропического переноса энергии;

•наблюдение грозовых разрядов;

•анализ концентрации тропосферного озона;

•измерение вертикального профиля тропосферных ветров;

•наблюдение осадков (необходимо при решении геофизических задач различного уровня: от предсказания локальных засух или наводнений до формирования глобальных прогнозов изменения климата планеты. Особое внимание при этом уделяется тропическим ливням, что обусловлено их большим удельным весом в общем процессе осадкообразования: до 2/3 от общего количества осадков планеты приходится на тропические дожди. Кроме того, процессы осадкообразования существенным образом зависят от величины альбедо, для определения которого необходимо изучение состояния растительного покрова и влажности поверхности Земли);

•измерение влажности верхней тропосферы;

•измерение влажности водяного пара;

•измерение высоты верхней части облаков с целью анализа и прогнозирования погоды;

•измерение концентрации в атмосфере малых газовых компонентов (газов, способствующих возникновению «парникового» эффекта и изменению климата; химически агрессивных газов, оказывающих воздействие на окружающую среду, включая биосферу;

•газов и радикалов, влияющих на климат и на окружающую среду путем воздействия на оборот атмосферного озона).

Лесное хозяйство:

•контроль за уничтожением лесов (обезлесиванием);

•определение типов лесонасаждений и доминирующих пород;

•оценка запасов лесоматериалов;

•измерение общей площади и количественная оценка биомассы (измерение общей площади и плотности лесного покрова осуществляется с целью количественной оценки биомассы растительности и изменения концентрации углекислого газа);

•картографирование лесов (отслеживание динамики их развития и планирование использования лесных массивов);

116

•оценка ущерба, нанесенного лесным массивам (лесные пожары, энтомоповреждения, болезни леса, загрязнение воздуха, бури, а также кислотные дожди);

•получение информации для лесоводства (выявление несанкционированных рубок леса, вырубочной динамики; контроль поражения деревьев насекомыми и пестицидами; обнаружение и наблюдение лесных пожаров; контроль за посадками деревьев на месте поврежденных, приспеванием и старением лесов);

•изучение водного режима лесных массивов.

Контроль водных ресурсов:

•анализ особенностей взаимодействия льда и атмосферы;

•измерение температуры и толщины льда;

•изучение отдельных льдин;

•анализ шероховатости и температуры льда;

•измерение отражающей способности льда;

•выявление областей со снежным покровом;

•классификация снежного покрова (разделение сухого и мокрого, толстого и тонкого, замерзшего и тающего снега);

•определение характеристик снежного покрова (влажности, температуры, глубины и альбедо — учитываются при изучении радиационного баланса и глобального климатообразования планеты, используются в качестве граничных условий в численных моделях прогноза погоды);

•определение водного эквивалента снега с целью выявления источников грунтовых вод, описания их характеристик и изучения особенностей их взаимодействия с поверхностными источниками;

•обнаружение участков разгрузки (вскрытия) грунтовых вод на поверхности;

•косвенное обнаружение грунтовых вод, очерчивание водоносных слоев;

•мониторинг наводнений;

•контроль качества воды (обнаружение местоположения и характера источников загрязнений воды, планирование мест установки очистных сооружений).

Мониторинг чрезвычайных ситуаций:

•предупреждение, контроль и оценка последствий наводнений (паводков и наводнений в результате ливневых дождей);

•организация информационного обеспечения при экстренном реагировании на землетрясения, пожары, наводнения и т.п. Выделим отдельно темати-

117

ческие направления проведения мониторинга состояния окружающей среды с применением оперативной спутниковой информации.

Мониторинг аварийно-опасных ситуаций и последствий аварий. Пер-

вичный мониторинг типовой ситуации, в результате которого операторы получают представление о естественном состоянии природных комплексов, особенностях хода и развития сезонных явлений, наличии и сезонной активизации потенциально аварийно-опасных территорий. На этом этапе может быть создан банк сезонного состояния природных комплексов и процессов, являющихся потенциально аварийно-опасными, а также процессов и явлений, усугубляющих развитие ситуации в месте аварии.

Мониторинг текущего состояния аварийной ситуации проводится на ба-

зе текущих съемок в период возникновения аварии и материалов банка данных изображений, накопленных в процессе эксплуатации автономного пункта приема. Оценивается место аварии, наличие и количество природных и антропо- генно-производных процессов, влияющих на развитие аварии и устранение ее последствий.

Мониторинг послеаварийного состояния территории проводится в целях выявления последствий аварии, ущерба, качества очистных и восстановительных (рекультивационных работ), а также темпов восстановления естественного состояния природной среды в районе аварии.

Сюда относят:

•изучение аварийно-опасных процессов и условий — русловой и овражной эрозии, паводковых ситуаций, переувлажненности территории (сезонной или постоянной), крупных процессов и комплексов мелких оползней, районов активизации мерзлотных процессов в почвогрунтах, лесных и торфяных пожаров;

•изучение обстоятельств, усугубляющих развитие аварийных ситуаций на продуктопроводах и участках добычи: развитой сети дренажных каналов и водотоков, близости крупных рек, озер и водохранилищ, наличия крупных болотных массивов и их типа гидрорежима почв и грунтов на участке аварии, состава напочвенного покрова (его шероховатость и поглощающая способность выявляется по косвенным признакам дешифрирования типов растительности), локального фенологического состояния территории (например, интенсивного схода снега в районе аварии), паводковых ситуаций на водотоках разных порядков, лесных и торфяных пожаров;

•мониторинг послеаварийного состояния: загрязненность водоемов пульпой, взвесями и пленками, нарушенность территории, качество проведения

118

восстановительных и рекультивационных работ, темпы и характер восстановления естественных природных комплексов.

Мониторинг экологической ситуации. Техногенные нарушения: транс-

портные коммуникации и транспортное строительство, горнодобывающая промышленность, нефте- и газодобыча, гидроэнергетика, промышленные аэро- зольно-дымовые загрязнения и их последствия, техногенные стоки, сбросы и аварии, отвалы, терриконы, участки захоронения и консервации.

Базы данных. База данных — совокупность связанных данных, организованных по определенным правилам, предусматривающим общие принципы описания, хранения и манипулирования, независимая от прикладных программ. Это понятие вошло в употребление в 1960-е гг. База данных представляет собой информационную модель предметной области, например, экологическая база данных по конкретному региону может содержать информацию о природных условиях территории, населении, природных и антропогенных загрязнителях окружающей среды и их источниках и т.п.

За выработку требований к базе данных, ее проектирование, реализацию, эффективное использование и сопровождение отвечает администратор базы данных.

Базы данных можно разделить на несколько типов:

1.Графическая база данных — содержит графические данные.

2.Документографическая база данных — библиографические описания документов или их рефераты.

3.Картографическая база данных — совокупность взаимосвязанных картографических данных по определенной предметной области, представленная в цифровой форме при соблюдении общих правил описания, хранения и манипулирования данными.

4.Объектографическая база данных — фактографическая база данных,

содержащая расширенный набор данных о сложных объектах предметной области.

5.Полнотекстовая база данных — содержит записи полнотекстовых документов или их частей.

6.Проблемноориентированная база данных — содержит тематически связанные документы или данные, предназначенные для решения прикладных задач определенного вида.

7.Фактографическая база данных — содержит фактографические данные. Работа с базами данных осуществляется с помощью системы управления

базами данных (СУБД). Система управления базами данных — комплекс

119

программных и лингвистических средств общего или специального назначения, реализующий поддержку создания баз данных, централизованного управления

иорганизации доступа к ним различных пользователей в условиях принятой технологии обработки данных.

Банк данных — автоматизированная информационная система централизованного хранения и коллективного использования данных. В состав банка данных входят одна или несколько баз данных, справочник баз данных, СУБД, а также библиотеки запросов и прикладных программ.

Основные функции баз данных в управлении качеством окружающей среды — собственно информационная база и основа для работы географических информационных систем.

С1985 г. в рамках Департамента ЮНЕП по проблемам экологической информации и оценок состояния окружающей среды функционирует Глобальная информационная база данных о природных ресурсах (ГРИД, GRID — Global Resource Information Database).

Программа ГРИД создана как информационная служба, обеспечивающая экологическими данными управленческие службы и специальные агентства ООН, международные организации и правительства.

ГРИД представляет собой глобальную сеть связанных между собой центров, осуществляющих доступ заинтересованных пользователей к экологической информации с целью обоснования управленческих решений в экономике и политике.

В настоящее время в мире действуют несколько центров программы ГРИД: в США, Канаде, Новой Зеландии, Дании, Норвегии, Непале, Бразилии, Таиланде, Кении, Польше, Венгрии, Швейцарии, России. Координируется эта деятельность центром ГРИД — Найроби (Кения), расположенным в штабквартире ЮНЕП.

Основные цели программы — оценка состояния окружающей среды

ианализ данных о состоянии окружающей среды. Также важная долговременная цель программы ГРИД — обеспечение доступа ко всем существующим экологическим данным. В связи с этим ГРИД имеет компьютерный каталог метабазы данных в помощь пользователям для указания местонахождения и приобретения необходимых данных. Метабаза данных содержит полное описание информационных ресурсов (данных), имеющихся в ГРИД-центрах всего мира: цифровые и бумажные карты, спутниковые изображения, табличные и статистические данные. Метабаза в конечном счете будет содержать детальные описания данных, имеющихся в других архивах, с указанием организации, которая

120