Информационная система формирования признаков и оценка возможных последствий разнородных территориальных рисков по данным дистанционного зондирования

Информационная система формирования формализованного описания признаков и оценки возможных последствий разнородных территориальных рисков формируется на основе данных дистанционного зондирования и результатов корпоративного параметрического мониторинга объектов экономики. Объектом исследований в информационной системе являются оценка и прогноз воздействий совокупности территориальных рисков, а также возникновение, утрата, изменение пространственного положения, качественные изменения соответствующих техногенных, природных факторов. В контексте данной информационной системы факторы воздействий представлены признаками проявления территориальных рисков.

Введение

В рассматриваемой информационной системе применяются алгоритмы преобразования и анализа данных объединяющие информационные продукты первичной обработки материалов дистанционного зондирования и корпоративные тематические информационные продукты в целях мониторинга техногенных, природных катастроф в масштабе времени близком к реальному, а так же в целях пространственного априорного и апостериорного анализа. Информационная система создаётся как совокупность взаимосвязанных программных модулей и баз данных. Компоненты информационной системы объединены в единую информационно-управляющую технологию и обеспечивают автоматизированное оперативное выполнение сбора и подготовки информации, управление выполнением расчётных задач, электронную публикацию результатов, а также комплексную оценку факторов воздействий на объекты экономики, в том числе при возникновении и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций (ЧС). Характерной особенностью предложенной информационной системы является единая технологическая платформа программных модулей, как в части моделей данных, так и в части программных средств разработки приложений, преобразования и анализа информации.
Информационная система строится с учетом возможности сопряжения с существующими сервисами сбора параметрической информации и глобальными архивами дистанционного зондирования Земли. В информационной системе применена «клиент-серверная» технология, что позволяет производить подготовку, корректировку и просмотр данных одновременно несколькими группами аналитиков. Доступ к данным организован в соответствии с правами, определяемыми полномочиями исполнителей. Базовыми функциями информационной системы являются:
-формирование временных рядов наблюдений территории исследований, расчёт показателей и индексов факторов территориальных рисков по данным дистанционного зондирования;
-подготовка консолидированной пространственной информации о территории исследования;
-обеспечение сбора параметрической мониторинговой информации в режиме близком к реальному времени по объектам экономики;
-прогнозирование и оценка возможных последствий факторов территориального риска природного и антропогенного характера;
-администрирование системы, ведение журналов работы системы, тематических классификаторов и справочников;
-поддержка электронной публикации результатов исследований;
-обеспечение защиты пространственной и атрибутивной информации от несанкционированного доступа.
Программное обеспечение информационной системы обеспечивает решение следующих функциональных задач (Комиссаров и др., 2015):
а) тематическая обработка данных дистанционного зондирования на предмет выявления и оценки опасных факторов территориальных рисков;
б) пространственное моделирование возможных последствий воздействий факторов территориальных рисков природного и антропогенного характера с адресной оценкой медицинской (по потерям), инженерной, химической и пожарной обстановки, включая:
-аварии на пожароопасных и взрывоопасных объектах;
-аварии на химически-опасных и радиационно-опасных объектах в различных средах;
-разрушение гидротехнических сооружений с образованием прорана и волны прорыва;
-природные пожары;
-наводнения по уровням на гидрологических постах или методом створов;
-сейсмические события;
-аварии на нефтегазопроводах;
-загрязнения нефтепродуктами;
в) информационное обеспечение оперативного реагирования для определения необходимого состава сил и средств ликвидации возможной чрезвычайной ситуации, в том числе необходимого состав аварийных бригад, технического обеспечения;
г) оценка рисков наступления безвозвратных и санитарных потерь, а так же возможных удалённых по времени последствий воздействий неблагоприятных факторов;
д) ведение тематических справочников и баз данных по разделам:
-пространственные данные и метаданные;
-распределение населения и персонала;
-адресная привязка;
-метеорологическая обстановка;
-справочники по факторам возможного неблагоприятного воздействия и защитным свойствам местности;
е) формирование информационных форм результатов исполнения расчётных задач;
ж) предоставление навигационной информации о пространственных объектах, эпицентральных точках.


Роль и место применения материалов дистанционного зондирования

В предложенной информационной системе роль и место материалов дистанционного зондирования ограничивается технологиями разработки и верификации объективной, комплексной информации о природных и техногенных факторах возможного неблагоприятного воздействия – признаках территориальных рисков. С этой целью используются два методологических подхода.
Первый методологический подход заключается в изучении пространственно-временного распределения биомассы на территории исследования. Тесная взаимосвязь между яркостными характеристиками отражённого в оптическом диапазоне от подстилающей поверхности электромагнитного излучения, измеренного непосредственно съёмочной аппаратурой, и величиной проективного покрытия почвы растительностью позволяет изучить причинно-следственные связи между состоянием растительного покрова и факторами его формирующими (Шовенгердт, 2010). Указанная зависимость формализуется посредством применения вегетационного индекса, который и выступает в качестве признака проявления факторов территориального риска. Эти факторы могут быть как кратковременными (для цикла вегетации), так и долговременными. Примером долговременных факторов могут служить антропогенные загрязнения территории исследования, имеющие отдалённые по времени последствия, в том числе выражающиеся в тесной связи показателей заболеваемости и значений вегетационного индекса (Тимохин и др., 2012).
Второй методологический подход основывается на показателе плотности горизонтальной расчленённости рельефа линейно-протяжёнными объектами и объектами гидрографии. В рамках этого подхода на основе текстурного дешифровочного признака (Прэтт, 1982) осуществляется распознавание складчатых структур местности (промоины, овраги, канавы, каналы, русла). Складчатые структуры в оптическом диапазоне практически являются линейными зонами непрозрачной или полупрозрачной затенённости, которые обладают характерным рисунком - текстурой. Практически это пространственные признаки факторов территориальных рисков развития эрозионных процессов, сейсмических процессов активных разломов или разломов с неясной активностью, гидрогеологических процессов, подобных морозному пучению. В качестве дешифровочного признака применяется для центрального пиксела матрицы размером три на три элемента разрешения значение бинарной энтропии. Вычисление этого значения объединяет два параметра (Ильинский и др., 1986): диапазон изменения значений пикселов и количество яркостных перепадов (несовпадений значений пикселов относительно центрального элемента и из парного сравнения по направлению обхода границы матрицы). Качество работы этого метода повышается на основе предварительного применения процедуры неконтролируемой классификации, основанной на отнесении значения того или иного пиксела к классу, соответствующему центральному значению из многомодального распределения отсчётов гистограммы исходного изображения. В результате формируется реальная схема плотности расчленённости рельефа, отражающая пространственную локализацию опасных гидрогеологических процессов.
Данные дистанционного зондирования в предложенной информационной системе применяются кроме этого в качестве априорной и апостериорной пространственной информации, а также для навигации в расчетных задачах на основе геоинформационных технологий (Замятин и др., 2007). В информационной системе применяются материалы электронных публикаций карт природных пожаров.
Информационная система на основе материалов дистанционного зондирования и геокодированных результатов параметрического мониторинга позволяет рассчитывать прогноз и давать оценку возможных последствий неблагоприятных воздействий по пространственному распределению реципиентов разнородных техногенных и природных рисков:
-адресные данные о разрушениях зданий, сооружений и объектов транспортной инфраструктуры, в том числе в результате сейсмических событий;
-данные о границах ареалов распространения загрязнений различного характера и интенсивности;
-данные о границах зон затопления территории;
-данные о границах зон активных эрозионных процессов;
-данные о границах зон радиоактивного загрязнения территорий и водных объектов;
-данные о местоположении подвижных объектов и грузов, получаемые с использованием систем ГЛОНАСС/GPS, в том числе из телеметрической информации и аварийных сообщений от подвижных объектов.


Описание реализации информационной системы

Информационная система состоит из следующих основных программных модулей:
-управляющий модуль, осуществляющий сбор, отображение, журналирование, архивирование и распространение разнородной информации;
-блок реестров информационной системы, объединяющий в единой структуре данные об объектах экономики, их инфраструктурных компонентах и датчиковой аппаратуре;
-модуль геоинформационного обеспечения информационной системы, реализующий пространственные запросы, анализ взаимного расположения пространственных объектов, обеспечивающий функции единого информационного пространства, двухмерного и трёхмерного отображения пространственных данных;
-модуль решения информационно-навигационных задач с применением технологий спутникового глобального позиционирования;
-модуль общих справочников информационной системы, объединяющий информацию о взрывчатых и горючих веществах, сильнодействующих ядовитых веществах, радионуклидах, а также о факторах, влияющих на их распространение и взаимодействие с окружающей средой, защитных свойствах местности, характеристиках рельефа и растительности;
-модуль расчёта экспертных оценок и пространственного моделирования развития неблагоприятных процессов;
-модуль, реализующий расчётные задачи на основе значений вегетационного индекса;
-модуль, реализующий расчётные задачи на основе плотности расчленённости рельефа местности линейно-протяжёнными объектами;
-обособлённый модуль, реализующий электронные публикации на средствах коллективного отображения;
-модуль формирования и экспорта электронных отчётов в виде согласованных форм и донесений с рекомендациями по предполагаемым действиям в той или иной ситуации.
В основу построения информационной системы положены следующие принципы:
-использование единой технологии сбора и обработки информации;
-возможность адаптации программного обеспечения к конкретным задачам на основе использования тематических справочников и классификаторов;
-рациональное распределение функций между программными компонентами с целью повышения эффективности функционирования информационной системы в целом на основе применения средств разработки приложений стандартизированных промышленных геоинформационных технологий;
-совместимость и взаимодействие с различными источниками информации;
-возможность поэтапного расширение программного комплекса.


Заключение

Предложенная к рассмотрению информационная система предполагает использование технологий глубокой тематической обработки данных дистанционного зондирования и в том числе технологии космобиоиндикации признаков проявления факторов территориальных рисков. В информационной системе подготовка формализованного описания признаков факторов риска строится на фундаментальных основах теории излучения, основах методов распознавания образов и модели системы обработки данных, ориентированной на решение широкого круга задач в рамках единой технологической платформы.
Информационная система реализована в составе серверной и клиентской компонент, что определяет многопользовательский доступ к её ресурсам. В системе применяются: технология информационного взаимодействия «клиент-сервер» как для СУБД, так и для геоинформационных технологий; разграничение полномочий пользователей в соответствии с их ролями в СУБД; технология сетевого файлового хранилища; технология оперативного обновления разнородной информации; отечественные геоинформационные технологии; отечественные технологии трёхмерного пространственного динамического моделирования. В информационной системе применяются формализованные методические материалы различной ведомственной принадлежности (в первую очередь утвержденные МЧС РФ). Информационная система прошла успешную апробацию в целом ряде объектовых и региональных проектов комплексной оценки рисков и защиты населения.