Спосіб екологічного контролю та прогнозу рівня забруднення навколишнього середовища урбанізованої території

Реферат: В способі екологічного контролю та прогнозу рівня забруднення навколишнього середовища урбанізованої території забруднення оцінюють за допомогою імітаційного моделювання різних сценаріїв еволюції екологічного стану урбанізованої території з використанням інформації банку статистичних метеорологічних даних за різночасові періоди та банку даних техногенного забруднення, що містить центральний комп'ютер. Коригують даними динамічних флуктуацій, що вимірюються групою датчиків екологічного контролю стану навколишнього середовища в реальному часі. UA 92470 U (12) UA 92470 U UA 92470 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до способів обробки екологічної інформації, яка може бути використана для прогнозування рівня забруднення навколишнього середовища урбанізованої території. Відома система контролю навколишнього середовища [1], яка здійснює збір оперативної екологічної інформації з врахуванням рози вітрів із датчиків контрольованих параметрів, що знаходяться зовні та всередині стаціонарних джерел забруднення. Інформація отримана з датчиків автоматично потрапляє в блоки порівняння, що містять дані про рівні граничнодопустимих концентрацій (ГДК) шкідливих речовин. Крім того, відома система моніторингу атмосферного повітря [2], в якій для підвищення ефективності отримання об'єктивної інформації про стан навколишнього середовища використовується GPS і мобільна телефонна мережа. Недоліком наведених систем контролю, збору та обробки екологічної інформації про навколишнє середовище є неможливість побудови прогнозу рівня забруднення з різною тривалістю прогностичного періоду. Найбільш близькою по технічній суті до системи, яка пропонується, є система екологічного моніторингу і прогнозування забруднення атмосфери [3], яка містить групи датчиків екологічного контролю стану навколишнього середовища, метеостанцію та засоби зв'язку на основі GPS і мобільної телефонної мережі, що забезпечує прогноз рівня забруднення атмосферного повітря промислового регіону. Ця система екологічного моніторингу була вибрана за найближчий аналог. Система [3] дозволяє будувати прогноз рівня забруднення атмосферного повітря лише від статичних джерел із заданими в часі концентраціями забруднюючих речовин, безпосередньо в околі джерела забруднення. Таким чином, основним недоліком даної системи є неспроможність оцінити та скласти достовірний прогноз рівня забруднення атмосфери від просторово-часових динамічних техногенних джерел, що розташовані на урбанізованих територіях, яким властива специфічна мінливість метеорологічних полів. Задачею пропонованої корисної моделі є оперативне прогнозування рівня забруднення навколишнього середовища урбанізованої території від просторово-часових динамічних техногенних джерел. Поставлена задача вирішується тим, що рівень забруднення оцінюється від просторовочасових динамічних техногенних джерел за допомогою імітаційного моделювання різних сценаріїв еволюції екологічного стану урбанізованої території з використанням інформації банку статистичних метеорологічних даних за різночасові періоди та банку даних техногенного забруднення, що містить центральний комп'ютер, яка корегується даними динамічних флуктуацій, що вимірюються групою датчиків екологічного контролю стану навколишнього середовища в реальному часі та надходять по каналах передачі вихідних даних у центральний комп'ютер, і в картографічній формі, з використанням геоінформаційних технологій, змодельований екологічний стан по каналах передачі інформації подається з центрального комп'ютера на комп'ютери споживачів. Структурна схема запропонованого способу екологічного контролю та прогнозу рівня забруднення навколишнього середовища урбанізованої території (Фіг. 1) представлена трьома взаємозв'язаними підсистемами: А - вхідної статистичної інформації; В - вхідної оперативної інформації; С - вихідної інформації. Підсистема А містить центральний комп'ютер 1, банк статистичних метеорологічних даних за різночасові періоди 2, банк даних техногенного забруднення 3. Підсистема В містить групу датчиків екологічного контролю стану навколишнього середовища 4, метеостанцію 5 та канали передачі вихідних даних 6. Підсистема С містить канали передачі інформації 7 та комп'ютери споживачів 8. Спосіб екологічного контролю та прогнозу рівня забруднення навколишнього середовища урбанізованої території працює наступним чином: 1. У підсистемі А, а саме в центральному комп'ютері 1, сформовані різні сценарії еволюції екологічного стану урбанізованої території, на основі інформації, яку містить банк статистичних метеорологічних даних за різночасові періоди 2, та банк даних техногенного забруднення 3. На основі імітаційного моделювання оцінюється рівень забруднення урбанізованої території з використанням вищезгаданих сценаріїв еволюції. 2. У підсистемі В, оцінюються динамічні флуктуації, в реальному часі, на основі даних, отриманих з групи датчиків екологічного контролю стану навколишнього середовища 4 та метеостанції 5, які по каналах передачі вихідних даних 6 передаються в підсистему А, на центральний комп'ютер 1 для корегування різних сценаріїв еволюції екологічного стану урбанізованої території. 1 UA 92470 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 3. У підсистемі С інформація, у вигляді електронних карт, на яких зображені інгредієнтні поля забруднення урбанізованої території, що отримана в результаті імітаційного моделювання відкоригованого сценарію еволюції екологічного стану урбанізованої території в центральному комп'ютері 1 підсистеми А, по каналах передачі інформації 7 передається на комп'ютери споживачів 8. Результати імітаційного моделювання прогнозу рівня забруднення від просторово-часових динамічних техногенних джерел надходять у вигляді дискретної цифрової інформації в середовище ArcGIS, де в модулі АгсМар та Spetial Analyst відбувається їх аналогово-цифрове перетворення. Приклад 1. Розглядається сценарій 1 - прогноз рівня забруднення урбанізованої території від просторово-часових динамічних техногенних джерел, без корегування даними динамічних флуктуацій (Фіг. 2). Дані, які містить центральний комп'ютер 1 в банку статистичних метеорологічних даних за різночасові періоди 2 та в банку даних техногенного забруднення 3, використовуються для імітаційного моделювання сценарію еволюції екологічного стану урбанізованої території на певний момент часу. Для даної урбанізованої території реалізується об'єктно-орієнтована модель цифрових даних про просторові об'єкти у вигляді позиційної (топологогеометричної) та непозиційної (атрибутивної) складової. Позиційна складова описує просторову форму об'єктів у координатах, а атрибутивна включає кількісні й якісні характеристики просторових об'єктів даної урбанізованої території. З метою організації координатного простору визначено геодезичну і картографічну основи просторових даних для даної урбанізованої території. Всю просторову інформацію прив'язано в геодезичній системі координат WGS84 та застосовано універсальну поперечну проекцію Меркатора (UTM), рівнокутову проекцію, що розроблена для великомасштабного топографічного картографування з мінімальними викривленнями в межах даної урбанізованої території. На базі модуля АrсМар створено основу, яка представлена у вигляді окремих векторних шарів цифрової, просторової, прив'язаної інформації: полілінійні об'єкти даної урбанізованої території (вулиці, провулки тощо); шар полігональні об'єкти (поквартальної забудови); полігональні об'єкти (паркова зона) та ін. Для цифрового подання зазначених точкових, лінійних та полігональних об'єктів використано векторні топологічні моделі просторових даних, де кожний клас містить об'єкти одного геометричного типу із загальним просторовим представленням і набором атрибутів, що описують об'єкти даної урбанізованої території. Змістова інформація подана як окремі шейп-файли, що розроблені в двох модулях - АrсМар та Spetial Analyst і накладені на основу. Для моделювання просторової інформації, яка відображає рівень забруднення даної урбанізованої території, використано растрову модель представлення даних. Створений растровий файл шляхом інтерполяції, зокрема використано метод інтерполяції значень з вагою, що обернено пропорційна відстані. Застосований метод обраховує значення комірки за середнім від суми значень точок вимірів, що знаходяться поблизу кожної комірки. Для проведення інтерполяції рівня забруднення даної урбанізованої території, задано середній ступінь впливу просторово-часових динамічних техногенних джерел, що надало поверхні оптимальний рівень згладжуваності та детальності. Вибраний змінний радіус пошуку обмежує кількість вихідних точок, які приймають участь у проведенні інтерполяції значень комірок. Змінний радіус пошуку для кожної комірки є індивідуальним і залежить від того, як далеко від кожної комірки вдається знайти задану кількість точок. Для виявлення закономірностей, що приховані на зображенні вихідного масиву даних банку статистичних метеорологічних даних за різночасові періоди 2 та банку даних техногенного забруднення 3, побудованої поверхні для даної урбанізованої території, використано ізолінії з постійним кроком, що вказують на розподіл значень по поверхні. В модулі АrсМар побудовані стовпчикові діаграмні фігури, які відображують потужність просторово-часових динамічних техногенних джерел (інтенсивність транспортних потоків). Приклад 2. Розглядається сценарій 2 - прогноз рівня забруднення урбанізованої території від просторово-часових динамічних техногенних джерел з корегуванням даними динамічних флуктуацій, що вимірюються групою датчиків екологічного контролю стану навколишнього середовища 4 та метеостанція 5 в реальному часі (Фіг. 3). Для зручності проведення екологічного контролю та прогнозу рівня забруднення навколишнього середовища урбанізованої території розроблено електронні карти, які містять єдині умовні знаки та шкалу, що відображає потужність просторово-часових динамічних техногенних джерел та рівень забруднення навколишнього середовища даної урбанізованої території. 2 UA 92470 U 5 10 15 20 25 30 Отримане картографічне зображення демонструє вплив просторово-часових динамічних техногенних джерел на прогноз рівня забруднення урбанізованої території, який розглядався в прикладі 1. Таким чином запропонований спосіб екологічного контролю та прогнозу рівня забруднення навколишнього середовища урбанізованої території дозволяє відстежувати еволюцію зміни рівня забруднення даної урбанізованої території з урахуванням даних динамічних флуктуацій, що надходять у реальному часі. Джерела інформації: 1. UA 64586 А/ Автоматизована система контролю навколишнього середовища/ Т.Л. Фунтов - а200603630; Заявл. 03.04.2006; Опубл. 25.02.2008; 2. RU 2380729 С1/ Система экологического мониторинга атмосферного воздуха промышленного региона/ Э.Μ. Соколов, В.М. Панарин, Ю.Н. Пушилина, Ο.Ю. Лапина, А.А. Зуйкова, А.В. Бизикин, B.C. Павлова, Э.В. Рощупкин - № 2008122587/28; Заявл. 04.06.2008; Опубл. 27.01.2010; 3. RU 2466434 С1/ Система экологического мониторинга и прогнозирования загрязнения атмосферы промышленного региона/ Э.М. Соколов, В.М. Панарин, А.А. Горюнкова, Э.В. Рощупкин, С.А. Камахина - № 2011123330/28; Заявл. 08.06.2011. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб екологічного контролю та прогнозу рівня забруднення навколишнього середовища урбанізованої території, на якій розміщені групи датчиків екологічного контролю стану навколишнього середовища та метеостанція, який відрізняється тим, що рівень забруднення оцінюють від просторово-часових динамічних техногенних джерел за допомогою імітаційного моделювання різних сценаріїв еволюції екологічного стану урбанізованої території з використанням інформації банку статистичних метеорологічних даних за різночасові періоди та банку даних техногенного забруднення, що містить центральний комп'ютер, яка коригується даними динамічних флуктуацій, що вимірюються групою датчиків екологічного контролю стану навколишнього середовища в реальному часі та надходять по каналах передачі вихідних даних у центральний комп'ютер, і в картографічній формі, з використанням геоінформаційних технологій, змодельований екологічний стан по каналах передачі інформації подається з центрального комп'ютера на комп'ютери споживачів. 3 UA 92470 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4