Статья: Структура программного обеспечения региональной экоинформационной системы

В.В.Растоскуев, д.т.н.

Проблемы разработки экоинформационной системы (ЭИС) для региона Санкт-Петербурга обсуждались во многих публикациях сотрудников НИЦЭБ РАН [1-6]. В настоящей статье рассматривается состояние работ по созданию региональных экоинформационных систем в условиях современной России и вытекающие из этого рассмотрения требования к программному обеспечению ЭИС.

Специфика экономической и политической ситуации в России в начале 90-х годов [1] не позволила создать глобальную экоинформационную систему, объединяющую в единую национальную компьютерную сеть сотни ЭВМ и обеспечивающую доступ ко всей собранной в стране информации о состоянии окружающей среды. В настоящее время на федеральном уровне экоинформационные системы разрабатываются в различных министерствах и ведомствах на основе существующих кадастров и систем экомониторинга. Координация этих работ возложена на Минприроду, но в действительности работа по созданию экоинформационных систем в различных ведомствах проводится достаточно разобщенно, а зачастую они и просто конкурируют между собой. Это, равно как и другие причины [7], препятствует созданию общенациональной экоинформационной системы.

На региональном уровне разработка ЭИС также ведется довольно разобщенно. Так, для региона Санкт-Петербурга разрабатывается сразу несколько экоинформационных систем, информация в которых неизбежно в значительной степени дублируется. ЭИС создается Комитетом охраны окружающей среды и природных ресурсов Санкт-Петербурга и области как часть распределенной системы EINER (Environmental Information Network for Neighbouring Regions of Estonia, Finland and Russia), ориентированной на работу в сети Internet [8]. Кроме этого, аналогичная информационно-управляющая система «Природопользование и экологическая безопасность» разрабатывается научно-исследовательским Центром «Природопользование» и Правительством Ленинградской области [9]. Специализированные региональные экоинформационные системы создаются также во многих организациях Санкт-Петербурга - в региональном центре МЧС России, в Радиевом институте им.В.Г.Хлопина и т.д. Распыление сил при создании ЭИС приводит к замедлению темпов работы и к многочисленным неудачам, когда затраченные деньги не приводят к созданию ЭИС или хотя бы к появлению общедоступных баз данных о состоянии окружающей среды. Дело в том, что создание ЭИС - очень сложная организационная и научно-техническая задача, решение которой требует консолидации сил и ресурсов. В экоинформационных системах реализуются многие функции государственной системы комплексного экологического мониторинга [2]. Соответственно, региональная экоинформационная система (информационная система экологической безопасности) должна обеспечивать решение множества задач [1-7]:

подготовка интегрированной информации о состоянии окружающей среды, прогнозов вероятных последствий хозяйственной деятельности и рекомендаций по выбору вариантов безопасного развития региона для систем поддержки принятия решения;

имитационное моделирование процессов, происходящих в окружающей среде, с учетом существующих уровней антропогенной нагрузки и возможных последствий принимаемых управленческих решений;

оценка риска для существующих и проектируемых предприятий, отдельных территорий и т.п., с целью управления безопасностью техногенных воздействий;

накопление информации по временным трендам параметров окружающей среды с целью экологического прогнозирования;

подготовка электронных карт, отражающих состояние окружающей среды региона;

составление отчетов о достижении целей устойчивого развития для федеральных и международных организаций;

обработка и накопление в базах данных результатов локального и дистанционного мониторинга и выявление параметров окружающей среды, наиболее чувствительных к антропогенным воздействиям;

обоснование оптимальной сети наблюдений для региональной системы экологического мониторинга;

обмен информацией о состоянии окружающей среды (импорт и экспорт данных) с экоинформационными системами, разрабатываемыми в других регионах России или в других странах;

предоставление информации, необходимой для контроля за соблюдением принятых законов, для экологического образования, для средств массовой информации.

Исходя из этого, далеко не полного, списка задач, экоинформационная система должна не только обеспечивать хранение и доступ к результатам экомониторинга, имеющего географическую привязку, но и предоставлять информацию, необходимую для поддержки принятия решений. Основная проблема при разработке экоинформационных систем в современной России как на федеральном, так и на региональном уровне, заключается в отсутствии ясной экологической политики на всех уровнях управления [1, 2]. Соответственно, достаточно сложно ответить на вопрос, какие сведения о состоянии окружающей среды требуются для поддержки принятия решений в том или ином конкретном случае. В [7] отмечается: «Поражает тот контраст, который наблюдается между большим объемом данных, которые собираются, обрабатываются и используются министерствами и комитетами, и тем, как трудно провести оценку этих данных и использовать их при принятии решений.»

Хотя основные сложности при разработке модулей ЭИС, ориентированных на поддержку принятия решений, обусловлены специфическими чертами российской практики принятия решений, эти проблемы в той или иной степени актуальны и для экоинформационных систем развитых стран. В частности, в статье [10] обсуждаются эти проблемы применительно к ГИС и рассматриваются, в связи с этим, различия между понятиями «данные» - (data), «информация» - (information) и «знания» - (knowledge). Данными являются первичные результаты экологического мониторинга - показания средств измерений, сигналы телеметрии, передаваемые со спутников, и т.п.. Для того, чтобы данные превратить в информацию, их необходимо обработать - приписать погрешность, снабдить описаниями, характеризующими время и место их получения, дать ссылки на методики пробоотбора и выполнения измерений. Географические информационные системы работают с такой информацией - они позволяют ее хранить, находить нужную, проводить ее анализ. По мнению автора [10] такой географический анализ может безусловно приносить пользу, но он не порождает новых знаний, которые могли бы быть полезны при поддержке принятия решений. Для генерации новых знаний на основе информации, хранящейся в ГИС, нужны специальные программные продукты, основанные на технологии искусственного интеллекта. В наиболее мощных ГИС, таких как ARC(INFO, подобные модули (GRID и т.п.) включаются непосредственно в состав системы. Однако методы работы с информацией о состоянии окружающей среды в таких программных модулях (имитационное моделирование, оценка рисков) существенно отличаются от процедур географического анализа. Таким образом, по мере перехода от первичных результатов экологического мониторинга к знаниям о состоянии окружающей среды изменяются методы работы с информацией.

Соответственно, в экоинформационной системе можно выделить три уровня (рис. 1), отличающихся по методам работы с экологической информацией. Верхний уровень должны составлять программные модули для поддержки принятия решений, средний - программное обеспечение, позволяющее провести системный (географический) анализ информации о состоянии окружающей среды, а нижний - модули обработки первичной экологической информации.

На нижнем уровне экоинформационной системы (рис.1) для обработки результатов мониторинга могут использоваться очень различные программные продукты - электронные таблицы, специализированные пакеты прикладных программ типа MatCAD, WinSurfer и многие другие. Такое разнообразие программного обеспечения обусловлено громадным числом разноплановых задач обработки результатов мониторинга, полученных с помощью локальных и дистанционных методов. Характерной особенностью методов измерения параметров окружающей среды является многоэтапность, причем каждый этап измерений (пробоотбор, измерение состава и свойств пробы и т.п.) вносит свои систематические составляющие погрешности. Выявление и оценка этих составляющих погрешности становится основной задачей обработки данных. В результате обработка данных об окружающей среде превращается в сложную, комплексную задачу, требующую для своего решения привлечения разнообразных методов и средств. Неудивительно, что первичной, необработанной информации о природе накоплено очень много и объемы такой информации продолжают быстро увеличиваться [11]. На данном этапе технические средства для получения информации намного обогнали возможности ее осмысления исследователями природы. Поэтому создание новых подходов к проблеме обработки информации об окружающей среде и, прежде всего, «интеллектуализация» компьютерной обработки данных рассматривается во всем мире как чрезвычайно важная задача. Более подробно эти вопросы рассмотрены в работах [5-12], посвященных обсуждению свойств разработанных нами пакетов прикладных программ для обработки результатов локального и дистанционного мониторинга. На среднем уровне экологической информационной системы (рис.1) для географического анализа информации о состоянии окружающей среды используются географические информационные системы (ГИС). Подобные системы, обеспечивая хранение, обработку, анализ и визуализацию пространственно-распределенной информации, позволяют систематизировать выдачу такой информации для управления природными ресурсами, реализуя опыт, накопленный специалистами в этой области [2, 11]. В настоящее время в развитых странах продается большое число ГИС, которые заметно разнятся по назначению и стоимости и, в последнее время, все чаще включают в себя не только средства для обработки географических и атрибутивных данных, но и цифровые карты.

Наиболее широкое распространение получила ГИС ARC/INFO, разработанная исследовательским центром Environment System Research Institute (ESRI, USA). Структура этой системы включает несколько блоков, предназначенных для работы как с векторной географической информацией (точки, ломаные линии, замкнутые контуры), так и с атрибутивной (текстовой) информацией, логически связанной с географической. Этой же фирмой в 1992 году создана цифровая карта The Digital Chart of the World (DCW) [16], основанная на карте мира масштаба 1:1,000,000 (в 1 см 10 км) для всех континентов нашей планеты. ГИС ARC/INFO - пример большой, полнофункциональной системы [17]. Наиболее известным в нашей стране примером средней векторной системы является ГИС MapInfo - динамично развивающаяся система, приобретающая все большую популярность. За последние годы, при переходе от версий 2.* к версиям 4.*, в ней появились многие дополнительные возможности по редактированию карт, подготовке бумажных копий и т.п. Отображение информации в форматах MapInfo предусмотрено в электронных таблицах Microsoft Excel 7.0. Примером средней растровой системы может служить ГИС IDRISI, разработанная в Кларковском Университете, США [18]. Эта ГИС, имеющая открытую архитектуру, предназначена для работы с растровой и векторной информацией и ориентирована на исследователей окружающей среды. В ней предусмотрены разнообразные возможности для обработки цифровых карт, хотя и заметно уступающие возможностям ARC/INFO.

К сожалению, современные ГИС мало доступны отечественным пользователям - стоимость одного экземпляра PC ARC(INFO, защищенного от несанкционированного копирования электронным ключом, составляет для персональных компьютеров больше $5000. Еще одна причина, ограничивающая распространение ГИС в России в середине 90х годов, заключается в отсутствии доступных цифровых карт. Наиболее дешевая цифровая карта DCW [16] стоит порядка $700 за полный комплект CD для всех континентов. Отечественные аналоги цифровых карт для России стоят в несколько раз больше [19]. Еще хуже обстоит дело с цифровыми картами других масштабов: 1:100000, 1:10000, 1:5000 и т.д. Доступных качественных карт таких масштабов практически нет [20].

С нашей точки зрения, при выборе ГИС для региональной экоинформационной системы следует отдать предпочтение комплексному подходу. Центральный сервер региональной экоинформационной системы неизбежно должен иметь высокопроизводительное оборудование и соответствующее программное обеспечение. Оптимальным решением в условиях современной России можно считать экоинформационный комплекс НИЦЭБ РАН (директор проекта - к.т.н. О.Н.Макаров): суперсервер -Power Challenge-, 5 рабочих станций -Indigo-2-, терминальное и сетевое оборудование, современное программное обеспечение - ГИС ARC/INFO, СУБД Oracle. Но для подготовки исходной географической информации для центрального сервера целесообразно использовать более дешевые ГИС, такие как IDRISI. Для решения же локальных задач подготовки и отображения географической информации предпочтительно использовать специально разработанные программы так, как это сделано в морской информационной системе «Kara Sea» [21].

В будущем системы поддержки принятия решений в области экологической безопасности неизбежно будут основываться на математическом моделировании процессов, происходящих в природе. Это неудивительно, так как схема «модель-гипотеза-эксперимент-установленный факт» составляет основу процесса познания практически в любой из многочисленных областей современной науки. В рамках математических моделей станет возможно и сопоставление между собой сведений из разных источников, и свертывание результатов мониторинга, и прогнозирование последствий того или иного хозяйственного решения [22, 23]. Примером исследований в этом направлении может служить работа по созданию системы моделей «Ладога - Нева - Невская губа - Финский залив» и еT адаптация для нужд городского хозяйства [5]. Распространение находят также упрощенные методические подходы, основанные на методологии «оценки воздействия на окружающую среду» (ОВОС). [24, 25]

Представляется целесообразным, чтобы на верхнем и нижнем уровнях информационная система (рис. 1) реализовывалась в виде автономных пакетов прикладных программ. Такое разбиение информационной системы экологической безопасности на отдельные пакеты позволяет достаточно гибко реализовать «конвейер» для обработки информации, когда результаты обработки информации одного пакета служат входными данными для другого. Передача информации между пакетами может осуществляться различными способами - в рамках локальной сети, с помощью электронной почты, в глобальных сетях типа Internet и т.п.

В заключение следует отметить, что создание региональной экоинформационной системы в условиях современной России - проблема чрезвычайно сложная. Пока речь может идти только о пилотных версиях такой системы. Наибольшие сложности возникают при создании программных модулей для поддержки принятия решений в области экологической безопасности. В ближайшее время эти и многие другие вопросы будут решаться в рамках исследований по созданию интегрированной экоинформационной системы, проводимых на базе НИЦЭБ РАН под руководством д.э.н. В.К.Донченко и к.т.н. О.Н.Макарова.

Список литературы

1. Кондратьев К.Я., Донченко В.К., Лосев К.С., Фролов А.К. Экология экономика и политика. - СПб., 1996. - 827 с.

2. Экодинамика и экологический мониторинг Санкт-Петербургского региона в контексте глобальных изменений. ( Под ред. К.Я.Кондратьева и А.К.Фролова - СПб.: Наука, 1996. - 442 с.

3. Донченко В.К. Система контроля состояния окружающей среды (СК СОС) для управления экологически безопасным развитием Санкт-Петербурга (( Региональная экология. - 1994. - No.2 - С.39-50.

4. Донченко В.К., Растоскуев В.В., Романюк Л.П. Разработка информационной системы экологической безопасности. (( Мониторинг. Безопасность жизнедеятельности. - 1995. - N2. - С.17-20.

5. Макаров О.Н. Система управления экологически безопасным развитием большого города (Основные проблемы и базовые принципы на примере Санкт-Петербурга) (( Инженерная экология. - 1996. - N.4. - C.54-63 –

6. Потапов А.И., Макаров О.Н., Растоскуев В.В. и др. Структура информационной системы «Состояние окружающей среды» (( Технические системы экологической безопасности. - Л.: ЛДНТП, 1990 г. - C.51-56.

7. Environmental Information Systems in the Russia Federation. An OECD Assessment. - Paris: Organization for Economic Cooperation and Development, 1996.-106 p.

8. Фролов А.К., Сяюняткари Т. Зеленый Интернет (( Экохроника.- 1996.- N4(28).- c.20

9. Анохин В.Н., Бударин В.Ф., Костин Ю.М., Фокин Ю.В. Принципы построения и функционирования территориальной автоматизированной информационно-управляющей системы природопользования

10. Barr R. Data, information and knowledge in GIS. (( GIS Europe. - V.5. - N.3. - Mar.1996. - P.14-15.

11. Экоинформатика. Теория. Практика. Методы и системы. ( Под ред. академика РАН В.Е.Соколова. - СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. - 520 с.

12. Конопелько Л.А., Растоскуев В.В. Экспертная система для обработки данных газоаналитических измерений. (( Приборы и системы управления. - 1995. - N7. - С.30-35

13. Растоскуев В.В., Холодкевич С.В., -7-35 Шалина Е.В. Пакет прикладных программ для обработки спутниковой информации на персональных компьютерах. (( Водные ресурсы. - 1993. - т.20. - N5. - С.650

14. Растоскуев В.В., Шалина Е.В. Метод фильтрации облачности для данных прибора AVHRR, относящихся к региону Балтийского моря. (( Исследования Зе-7-35 мли из космоса. - 1996. - N1. - С.47-55

15. Kondratyev K.Ya., Bobylev L.P., Donchenko V.K., Rastoskuev V.V., Shalina E.V. Finding a solution for pollution. (( GIS Europe. - V.5. - N.8. - Aug.1996. - P.20-22.

16. The Digital Chart of the World for use with ARC(INFO. - ESRI.- 1993.- 89 p.

17. Eg Parsons. The Essential GUIDE TO GIS, Longman Groupe Limited, 1994. Авторизированный перевод с английского А.В.Шаталина (( Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации. - 1996. - -3 (5) .- C.62-65; -4 (6).-C.65-66

18. Eastman R.J. IDRISI, ver.4.0, Manuals. - Clarc University, Worcester, Massachusetts, USA, March 1992.

19. Копаев Г.В., Грошев В.В. Обзор цифровых карт России масштаба 1:1,000,000. (( Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации. - 1996. - -3 (5) .- C.17-19

20. Балашов В.В. О состоянии работ по ведению градостроительного кадастра в РФ. (( Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации. - 1996. - -4 (6) .- C.37-38

21. Rastoskuev V., Johannessen O., Petterson L., Bobylev L., Donchenko V., Kopov M., Shalina E., Volkov V. Marine Information System For the Kara Sea (( Ecological Safety. 1996 - N6 - pp.12-13

22. Экологические системы. Адаптивная оценка и управление. Под ред.К.С.Холлинга- М.: Мир, 1981. - 397 с.

23. Norton B.G. Context and hierarchy in Aldo Leopold-s theory of environmental management. Ecol. Econ., 1990. - V2. - N2. - P.119-127

24. Донченко В.К., Воронцов Н.А., Растоскуев В.В. Программное обеспечение интегральной оценки техногенного воздействия на окружающую среду (( Ж.Эколог.химии. - 1993. - N.2. - С.151-156

25. Донченко В.К., Растоскуев В.В. Система представления информации для принятия управленческих решений в области экологической безопасного развития региона Санкт-Петербурга. В сб. III Санкт-Петербургская международная конференция « Региональная информатика-94», (г.Санкт-Петербург, 10-13 мая 1994 г., Часть II, с.10-11