Опыт создания ГИС экологического мониторинга источников питьевого водоснабжения в бассейне реки

Матвеев П.И., Департамент природных ресурсов Архангельской области, г.Архангельск, e-mail: matveev@dvinaland.ru

Глазнева Н.С., Данилов И.Д., Фаныгин С.А., Шахова И.Н., Кольский геологический информационно-лабораторный центр, г.Апатиты

В Мурманской области на сегодняшний день часть населения областного города и ряд поселков обеспечивается питьевой водой из водозаборов в русле реки Кола. Поэтому особого внимания требует вопрос информирования органов государственной власти (ОГВ) и общественных организаций о текущем состоянии воды в пределах водозаборов. Для обеспечения информационной поддержки принятия решений была разработана геоинформационная система экологического мониторинга состояния бассейна реки, которая позволяет проводить оценку и комплексный анализ реальной экологической ситуации.

В данной работе представлен опыт практической реализации информационной системы экологического мониторинга состояния источников питьевого водоснабжения, основанной на ГИС-технологиях. Работы проведены в «Кольском геологическом информационно-лабораторном центре» г.Апатиты Мурманской области в рамках совместной международной «Программы охраны окружающей среды бассейна реки Кола» в 1999-2003 годах. В результате создана информационная система оценки экологического состояния бассейна реки «ГИС экологического мониторинга бассейна реки», относящаяся к классу Систем поддержки принятия решений – СППР [1].

Первоначально единая база данных (БД) под управлением СУБД MS Access 97 была создана в Мурманском Государственном Техническом Университете силами сотрудников кафедр «Информационных систем» и «Прикладной математики и естественно-научных дисциплин» [2]. В БД собраны данные с 56 постов наблюдений от организаций: Федеральное Государственное Учреждение «Мурманский Территориальный Фонд Геологической Информации и Анализа» (ФГУ МурТФГИиА), Мурманское Управление Гидрометслужбы (МУГМС), МурманскВодоканал, ОленегорскВодоканал, Государственная служба санитарно-эпидемиологического надзора (ЦГСЭН).

Таблицы данных представляют собой совокупности результатов измерений параметров состояния водных объектов (см. таблицы 1 и 2), сгруппированных по месту и времени наблюдения и/или отбора проб воды и месту проведения аналитических работ. Местом наблюдения является «СТАНЦИЯ» – точка, имеющая географические координаты и связанная с определенным водным объектом (участком водного объекта).

Силами вычислительного центра КГИЛЦ в 2002 г. на базе имеющихся цифровых материалов создан ГИС-проект размещения станций наблюдений на цифровой модели местности (ЦММ), масштаб 1:200000 в проекции Гаусса-Крюгера. В 2003 г. обновлена база данных и отредактирована пространственная БД ГИС – уточнены координаты расположения станций наблюдения. Все данные занесены в единую базу данных наблюдений под управлением СУБД MS Access 2003. БД содержит данные измерений характеристик воды реки Кола и её притоков за 5 лет: 1999, 2000, 2001, 2002 и 2003. Первое измерение датировано 3 января 1999 г., последнее – 26 декабря 2003 г. Всего в БД в настоящее время содержатся данные о 824-х водозамерах, в которых было проведено 21725 измерений отдельных параметров воды. В общей сложности организациями измерялось 82 параметра воды. Для каждой станции наблюдения введена поддержка значений «отсутствует» и «не обнаружено», и добавлены новые поля: время измерения; ссылка на организацию, которая проводила наблюдения и измерения; признак местонахождения станции в русле реки или на её притоках.

Создана новая форма интерфейса, где реализована возможность работы с выбором станций на притоках и в русле реки. Создана новая программная оболочка для доступа к данным, расчета интегрального коэффициента загрязнения воды (ИЗВ), отображения результатов в отчетах Microsoft® Excel 2000 и на цифровой модели местности (электронной карте) с использованием языка программирования Microsoft Visual Basic for Applications 6.0 (VBA6) внутри ГИС-проекта ArcGIS ArcMap.

Таблица 1. Характеристика базы данных наблюдений.

Таблица 2. Распределение данных по организациям и лабораториям.

В рамках работ создан рабочий макет специализированного картографического WEB-сайта на основе программного средства ESRI ArcIMS 4 и методическое руководство в форматах *.PPT, *.HTML по работе с данными.

Составление SQL-запросов к БД производится по специальной экранной запросной форме из ГИС-проекта или непосредственно из БД. С помощью этой же формы формируются выборки данных и запускаются программы расчётов и передачи результатов во внешнее приложение – электронную таблицу Microsoft Excel 2000. Процессы инициализируются при нажатии соответствующих элементов управления формы (рис. 1).

Рис. 1. Вид запросной формы для выбора данных, расчётов индексов загрязнения и вывода данных в таблицы Microsoft Excel 2000.

«ГИС экологического мониторинга бассейна реки» предоставляет широкие возможности для выбора и анализа данных [3]:

• Обмен данными между СУБД и ГИС;
• Интерактивный просмотр сведений из базы данных – количество измеренных параметров на выбранной станции, количество проведенных измерений, начало и конец периода наблюдений;
• Составление запроса к базе данных по экранной запросной форме, понятной для неспециалиста сразу по нескольким критериям выбора: станция наблюдения, период наблюдений, измеряемые параметры (элементы — показатели загрязнения), русло или приток реки, названия лабораторий;
• Вывод измеряемых показателей в двух вариантах – в абсолютных значениях и пересчет в единицах предельно-допустимых концентраций (ПДК);
• Расчет индекса загрязнения воды (ИЗВ);
• Расчет интегрального уровня загрязнения (ИУЗ) по любому количеству элементов;
• Передача, просмотр и анализ выборки во внешних приложениях, формирование отчета в виде листов книги Microsoft Excel для дальнейшего анализа данных;
• Визуализация результатов расчётов по выбранным станциям наблюдения на цифровой модели местности (ЦММ), автоматическое формирование ЦММ и отображение результатов расчета индексов загрязнения условными знаками;
• Выделение интересующего участка реки со станциями наблюдений на ЦММ (электронной карте) и формирование запроса к базе данных для получения информации по выбранным станциям;
• Встроенные возможности ГИС позволяют сохранить (экспортировать) полученную карту в растровых или векторных форматах популярных и часто используемых офисных программных средств и Интернет-браузеров. Например, векторный формат *.WMF позволяет вставить изображение в документ Microsoft Word или в презентацию Microsoft PowerPoint, а растровый формат *.JPEG ? в *.HTML-страницу для публикации на WWW-сервере.

Графики по выбранным данным строятся автоматически на отдельном листе книги Microsoft Excel 2000 (рис. 2), Ничто не мешает пользователю использовать извлечённые данные по своему усмотрению, т.е. перегруппировать данные, перестроить график, выявить и построить новые зависимости и т.п. Большое количество измерений на протяжении всей реки позволяет достоверно представить себе уровни загрязнения воды, распределение загрязнения в течение года и указать на источники долговременного загрязнения. Что, в свою очередь, позволяет построить адекватные модели загрязнения воды в бассейне реки.

Рис. 2. Фрагмент файла электронной таблицы с результатами измерений определенных параметров на выбранной станции и графиками по выбранным данным.

Интегральный уровень загрязнения (ИУЗ) воды является обобщенным показателем загрязнения. Вычисляется уровень загрязнения воды (P) по выбранным элементам на выбранных станциях за период, указанный в полях «начальная дата» и «конечная дата» по следующей формуле:

Индекс загрязнения воды (ИЗВ) является частным случаем ИУЗ, вычисляемым по шести параметрам: растворенному кислороду (O₂₎, биологическому потреблению кислорода за 5 суток (БКП5), азоту аммиака (NH₄NO₃₎, нитритам (NO₂₎, нефтепродуктам и фенолу. Вычисления производятся циклично, отдельно для каждой станции. ИУЗ может быть вычислен по любому количеству параметров: от одного до всех измеренных на станции.

При нажатии на кнопку «ВЫБРАТЬ НА КАРТЕ» производится переход к карте ГИС-проекта, где показываются выбранные станции и соответствующие им участки реки путём мигания. Если при этом не выделены какие-либо элементы, то в ГИС передается индекс загрязненности воды ИЗВ, вычисленный по выбранным станциям (рис. 3). Станции и участки реки раскрашиваются в соответствии с диапазонами значений индекса загрязненности по заданной легенде.

Рис. 3. Фрагмент электронной карты с возможными источниками загрязнения.

Рис. 4. «ГИС экологического мониторинга бассейна реки» для локальной корпоративной сети.

Созданы пять различных вариантов «ГИС экологического мониторинга бассейна реки». Такой набор вариантов сложился исторически по мере нарастания необходимого количества автоматизированных рабочих мест (АРМ) и требований пользователей [4]:

• Для локальной рабочей станции – на основе программных средств: ГИС ArcView 3.2 и СУБД Microsoft Access 2000
• Для локальной рабочей станции – на основе ГИС-вьювера ESRI ArcExplorer 2.0 и СУБД Microsoft Access 2000
• Для корпоративной сети – на основе ArcGIS 8.3 и Microsoft Access 2000,
• Для корпоративной сети – на основе ГИС-вьювера ArcReader 8.3 и СУБД Microsoft Access 2000
• Интернет/Интранет вариант – специализированный WEB-сайт (ГИС-портал) на основе программных средств: картографический WEB-сервер приложений ESRI ArcIMS 4 и сервер баз данных Microsoft SQLServer 2000.

В состав «ГИС экологического мониторинга бассейна реки» (варианты 3 и 4 для корпоративной сети) входят 125 программных модулей, созданных с помощью VBA6 в ГИС-проекте ArcMap и СУБД Microsoft Access. Модули предназначены для выбора данных, расчёта интегральных показателей загрязнения (ИЗВ и ИУЗ), передачи, просмотра и анализа выборки во внешних приложениях (в таблицах Microsoft Excel 2000) и визуализации результатов расчётов по выбранным станциям наблюдения на ЦММ. Здесь расширены возможности выбора данных, улучшен интерфейс пользователя, модернизирована структура БД и существенно повышены стабильность и скорость работы [4].

Для доступа к базе данных используется технология ActiveXDataObjects 3.6 (ADO). Компонент ADO поставляется с операционной системой Microsoft Windows 98/ME/2000/ХР, универсальность ADO позволяет хранить базу данных не только в файлах Microsoft Access. Учитывая то, что язык SQL является унифицированным и стандартным при обращении к реляционным БД, хранить БД можно практически на любом SQL-сервере (Oracle, Microsoft SQLServer 2000, SyBase, DB2, Informix, InterBASE). Поскольку в новой версии формирования SQL-запросов к БД используются Виды (View in SQL), то часть вычислительной нагрузки может быть переложена непосредственно на SQL-сервер.

Улучшено представление отчетов в Microsoft Excel 2000, сохранилось «транспонирование» данных, что повышает компактность представляемой информации и предоставляет информацию в удобной для пользователя форме. Процесс транспонирования можно наблюдать во время построения таблицы. Диаграммы и графики в новой версии строятся по среднему значению в определённом диапазоне расстояний от устья реки, что позволяет избежать появления петель на графиках в случае нескольких близко расположенных станций.

Для работы необходимо приложение ArcMap, ГИС-проект ArcMap (файл *.MXD) c модулями VBA6 и векторные слои ЦММ в формате *.SHP. Для вывода данных в электронную таблицу необходимо приложение Microsoft Excel 2000 и файлы шаблонов отчетов (*.XLS). БД наблюдений в формате СУБД Microsoft Access 2000 и векторные слои могут находиться как на локальной рабочей станции, так и на файл-сервере корпоративной сети (рис. 4).

Анализ приведённых вариантов реализации «ГИС экологического мониторинга бассейна реки» показал, что самым выгодным для пользователей будет полнофункциональный Интернет/Интранет вариант системы – ГИС-портал (рис. 5, 6). В данном варианте клиенты оплачивают только пересылаемый в сети Интернет трафик, который минимизирован за счёт переноса на сервер основной нагрузки по выполнению запросов к БД и обработке данных. Этот вариант был разработан для предоставления пользователям доступа к информации через стандартные HTML-браузеры [5].

Рис. 5. Пример доступа к данным через ГИС-портал.

Рис. 6. Программно-аппаратная база ГИС-портала.

Доступ к информации организован через стандартный HTML-браузер у клиента на рабочей станции и ASP-страницы доступа к данным на специализированном картографическом WEB-портале. Интерфейс ASP-страниц реализует доступ к БД наблюдений через MS SQL Server и запуск приложений (прикладных задач, расчётных модулей). Расчётные модули оперируют с выборкой и передают результаты расчётов в XML-документы в виде таблиц данных и диаграмм распределения. Средства сервера пространственных данных ArcIMS формируют ЦММ в проектах (*.MXD или *.AXL) и передают результат в виде графических файлов в формате *.JPEG. Информационный WEB-сервер обеспечивает передачу подготовленных XML-документов и графических файлов в формате *.JPEG по каналу связи на рабочую станцию клиента для просмотра и анализа результатов расчётов в MS Internet Explorer.

Для работы необходим канал связи — Интернет или выделенная линия. Для обеспечения режима секретности данных необходимо определить уровни и права доступа к информации:

• руководители и специалисты органов государственной власти, принимающие решения, для которых необходим полный интерактивный доступ к БД и ЦММ;
• экологические общественные организации, ученые и студенты, использующие информацию для анализа и исследования экологической обстановки – для них обеспечивается ограниченный интерактивный доступ к БД и частичный к ЦММ;
• общественность и население, которым нужен доступ к заранее подготовленной информации в виде сформированных HTML-отчетов c графиками, диаграммами и картами распространения загрязняющих веществ за определенный период наблюдений.

Основываясь на принципах государственного управления в сфере использования и охраны природных ресурсов, к группам, непосредственно заинтересованным в реализации проекта и получении результатов, относятся:

• Органы государственной власти региона
• Управление природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР России по региону
• Федеральное государственное учреждение «Региональный территориальный фонд геологической информации»
• Региональное территориальное Управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды
• Организации и предприятия, осуществляющие водопользование на территории региона
• Население региона, имеющее возможность получения актуальной информации о состоянии природных объектов.

Программно-аппаратная база позволяет развивать и интегрировать (наращивать без потери производительности) единую пространственную базу ЦММ и фактографическую БД по региону за счёт включения информации по лесному хозяйству, землепользованию, недропользованию, трудовым ресурсам, транспортной сети, системам связи и энергетики.

Возможности ГИС-портала позволяют работать и с другой специализированной картографической информацией: геологической и геофизической, гидрогеологической и инженерно-геологической, природоохранной и экологической, климатической и опасных природных явлений, экономической и политической, охотничьих угодий и туристической. Каждое направление деятельности поддерживается собственной ASP-страницей доступа к данным и алгоритмами обработки информации, встраиваемыми в разработанную структуру ГИС-портала.

В перспективе, наиболее предпочтительный вариант развития системы – это переход к «ГИС оценки и комплексного анализа экологической ситуации региона» на основе полноценного специализированного картографического Internet-сервера приложений (ГИС-портала). Следующий шаг – переход к оценке экологического состояния прибрежных водморских бассейнов с минимальными изменениями интерфейса ASP-страниц. Далее возможно наращивание функций и подключение БД мониторинга загрязнения почвы и, в дальнейшем, воздушной среды. Это потребует добавления новых прикладных модулей и новых ASP-страниц, реализующих интерфейс доступа к данным и алгоритмы обработки информации.

В настоящее время идет процесс настройки системы под новую программную среду ArcGIS Server Enterprise 9.2 от компании ESRI.

Литература

1.  Матвеев П.И. ГИСППР по оценке безопасности и качества питьевого водоснабжения для ОГВ / Проблемы управления безопасностью сложных систем: Труды XII Международной конференции. Москва, декабрь 2004 г. — М.: РГГУ, 2004. — С. 290-294.

2.  О.Микаельсон, М.Н.Зуева, Н.Б.Пивоварова, Б.В.Ткаченко / Результаты исследования качества воды в реке Кола в рамках российско-шведской программы KREP: Вестник МГТУ, том 4, №1, 2001 г. С.121-128

3.  Матвеев П.И., Фаныгин С.А. Возможности информационной системы оценки экологической ситуации бассейна реки / Картографическое и геоинформационное обеспечение управления региональным развитием / Материалы VII научной конференции по тематической картографии. Иркутск, 20-22 ноября 2002. г. Иркутск: Изд-во Института географии СО РАН, 2002. С. 157-161.

4.  Матвеев П.И., Фаныгин С.А., Шишаев М.Г. Прикладные архитектуры информационных систем оценки состояния водных ресурсов на базе ГИС-технологий / Информационные технологии в региональном развитии: Сборник научных трудов ИИММ КНЦ РАН, вып. III. – Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2003. С. 18-25.

5.  Матвеев П.И, Данилов И.Д. Региональная ГИСППР управления природными ресурсами для ОГВ на основе картографического WEB-портала // ИнтерКарто/ИнтерГИС 10: Устойчивое развитие территорий: геоинформационное обеспечение и практический опыт. Материалы Международной конференции. г.Владивосток – Чаньчунь (КНР), 12-19 июль 2004, — Владивосток: Изд-во: ТИГ ДвО РАН, 2004. -С.143-148.