Размещено на http://www.allbest.ru/

Державна установа

“Науковий центр аерокосмічних досліджень Землі

ІнститутУ геологічних наук

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ”

УДК 519. 711: (504.064.3:528.8.04)

СИСТЕМНЕ МОДЕЛЮВАННЯ У ВИРІШЕННІ ЗАДАЧ ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ НА ОСНОВІ КОСМІЧНОГО ГЕОМОНІТОРИНГУ

05.07.12 - дистанційні аерокосмічні дослідження

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Боднар Олена Миколаївна

Київ 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Державній установі «Науковий Центр аерокосмічних досліджень Землі Інституту геологічних наук Національної академії наук України»

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, член-кореспондент НАН України, професор Федоровський Олександр Дмитрович, Державна установа «Науковий Центр аерокосмічних досліджень Землі ІГН НАНУ», головний науковий співробітник.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Бурачек Всеволод Германович, Інститут землевпорядкування та інформаційних технологій при Національному Авіаційному Університеті, проректор.

кандидат технічних наук Захаров Олександр Борисович, Науково-методичний Центр кадрової політики МОУ, провідний науковий співробітник.

Захист відбудеться "02" лютого 2011 р. о 11⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.162.03 при Державній установі «Науковий центр аерокосмічних досліджень Землі ІГН НАН України» (01601, м. Київ, вул. Олеся Гончара, 55-Б)

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту геологічних наук НАН України (01601, м. Київ, вул. Олеся Гончара, 55-Б)

Автореферат розісланий "_29_" _грудня__ 2010 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради Д26.162.03

кандидат біологічних наук

старший науковий співробітник О.І. Левчик

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сучасна концепція розвитку та підвищення ефективності космічного геомоніторингу (КГМ) полягає не тільки у вдосконаленні технології забезпечення регулярного отримання оперативної космічної інформації (КІ) дистанційного зондування Землі (ДЗЗ), але і у вдосконаленні функціональних можливостей КГМ, спрямованих на всебічне вивчення процесів, явищ та об'єктів, що реєструються в геосистемах.

Це стимулює необхідність розвитку КГМ та підвищення його ефективності для вирішення задач природокористування, яке визначається як сукупність дій людства на географічну оболонку Землі. Раціональне природокористування направлене на забезпечення сприятливих умов існування людства, на максимально раціональне використання кожного природно-територіального комплексу, на запобігання або максимальне зниження можливих техногенних дій, на підтримку екологічного стану природного середовища, забезпечення і регулювання економічного освоєння ресурсів Землі.

У сучасному інформаційному потоці роль космічної інформації ДЗЗ у вирішенні тематичних задач природо- і надрокористування є надзвичайно важливою. Це знаходить своє підтвердження в інформаційних матеріалах Комітету супутникового спостереження Землі (CEOS - Committee on Earth Observation Satellites), а також у можливостях, які відкриваються при використанні даних КГМ при вирішенні тематичних задач у різних галузях господарської і природоохоронної діяльності.

Світовий досвід показав перспективність та ефективність застосування КГМ для вирішення актуальних завдань, спрямованих на раціональне природокористування. Створені за останні роки більш досконалі космічні системи (КС) ДЗЗ дають можливість отримання різнопланових космічних знімків з високими інформаційно-технічними параметрами, у тому числі, з високим просторовим і гіперспектральним розрізненням.

Для успішного використання КС ДЗЗ в інформаційних технологіях природокористування в умовах зростання техногенного навантаження, збільшення ризику надзвичайних ситуацій, розширення пошуку корисних копалин виникає потреба в розробці спеціальної методичної бази космічного геомоніторингу, що акумулює досягнення сучасних наукових досліджень в сфері геоінформатики.

Розглядаючи навколишнє середовище як ієрархічну сукупність структурних утворень, об'єднаних певними природними процесами, які перебувають у взаємообумовленому зв'язку з соціальними, технічними діями та впливами, можливо одержати якісні та кількісні уявлення про характер наявних геопроцесів, які неможливо виявити традиційними методами. Тому, розглядаючи сукупність досліджуваних процесів як систему, яка володіє всіма ознаками складної системи, для вирішення певних природоресурсних задач доцільно застосовувати системний підхід і математичний апарат системного аналізу, а саме - системне моделювання, яке дозволяє обґрунтувати і вибрати найбільш раціональні методи побудови математичних моделей складних систем і моделювати процеси, що в них відбуваються. Це забезпечить розвиток функціональних можливостей КГМ і сприятиме новому науково-методичному рівню розв'язання задач природокористування та екології.

Існує великий обсяг робіт, присвячених використанню КІ та системного підходу у космічному геомоніторингу для вирішення екологічних та господарських задач. Це роботи вітчизняних вчених Лялька В.І., Федоровського О.Д., Каратаєва Г.К., Попова М.О., Бурачека В.Г., Бушуєва Е.І., Самойленко Л.І., Цимбала В.М., Якимчука В.Г., Станкевича С.А., Сахацького А.И. та ін. Системному підходу присвячені праці Кухтенка О.І., Згуровського М.З., Тимченко І.Є., Панкратової Н.Д., Федоровського О.Д., Якимчука В.Г. та ін. Відомі публікації закордонних авторів: Кондрат'єва К.Я., Авдієвського В.С., Успенського Г.Р., Лебедєва А.А., Гітельсона А.А., Саульского В.К., Можаєва Г.К., Forrester J.W., Saaty T.L., Larson W.J., Wertz J.R. та ін.

Актуальність і відмінність представленої роботи полягає у обґрунтуванні та впровадженні нових системних методів для вирішення задач природокористування, заснованих на розгляді природного середовища як складної геосистеми, складові якої генетично об'єднані взаємозалежними геологічними, геофізичними і біологічними процесами та ландшафтними особливостями регіону, що значно розширює функціональні можливості КГМ і підвищує його ефективність.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких відображені у дисертаційній роботі, виконувались у відповідності до науково-дослідних робіт, що проводилися відділом системного аналізу Наукового центру аерокосмічних досліджень Землі ІГН НАН України: "Розробка наукових основ моделювання процесу одержання інформації космічними системами дистанційного зондування Землі, визначення їх оптимальної структури, параметрів та ефективності використання" № (РК 0103U000434), "Визначення глобальних та регіональних змін довкілля на основі дистанційних методів "№ (РК 0103U006444).

Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є наукове обґрунтування, удосконалення та апробація методів системного моделювання для розширення функціональних можливостей космічного геомоніторингу при вирішенні задач природокористування.

Відповідно до поставленої мети вирішувались такі задачі:

- розробка методичної основи застосування системного моделювання для вирішення задач природокористування, а саме: формування причинно-наслідкових зв'язків у досліджуваних системах, побудова системних діаграм та ієрархічних схем порівняння критеріїв, розробка концептуальних та динамічних моделей, цільових функцій та функцій відповідності і належності, векторів пріоритетів, часткових та узагальнених критеріїв;

- визначення перспективних напрямків використання інформації при вирішенні задач природокористування;

- порівняльна оцінка варіантів структури космічних систем ДЗЗ і визначення вимог до параметрів космічних знімків ДЗЗ;

- апробація методів системного моделювання шляхом створення моделей і визначення нафтогазоперспективності ділянок досліджуваної території та оцінки техногенного навантаження на природне середовище;

- дослідження ефективності функціонування космічного геомоніторингу при вирішенні задач природокористування.

Об'єкт дослідження - методичне забезпечення космічного геомоніторингу для вирішення задач природокористування.

Предмет дослідження - методи системного моделювання для вирішення задач природокористування на основі космічного геомоніторингу.

Методи дослідження. При розв'язанні поставлених задач використовувалися методи: багатокритеріальної оптимізації; експертних оцінок (аналізу ієрархії і науково-технологічного передбачення); системної динаміки - адаптивного балансу впливів; структурно-текстурного аналізу космічних знімків.

Фактичний матеріал. В роботі використані багатоспектральні космічні знімки Landsat-7, Океан-О, Метеор 3М Terra -Aster, Terra-Modis із архіву ЦАКДЗ. космічний зондування дистанційний геомоніторинг

В основу роботи покладені геофізичні, геологічні, кількісні та якісні інформативні матеріалі наукових звітів відділу системного аналізу ЦАКДЗ ІГН НАНУ для ділянок території Дніпровсько-Донецької западини, Каспійського шельфу Туркменістану та Нікопольського гірничопромислового району.

Найважливіші наукові результаті, що мають новизну:

1. Обґрунтовано методики експертних оцінок (аналізу ієрархії і науково-технологічного передбачення) та багатокритеріальної оптимізації, а саме: побудовано ієрархічні схеми порівняння критеріїв, розроблено цільові функції та функції відповідності і належності, сформовано вектори пріоритетів, часткові та узагальнені критерії для моделювання і оцінки інформаційно-технічних складових космічного геомоніторингу та прогнозування нафтогазоперспективності ділянок досліджуваної території при відсутності діючих свердловин (еталонних ділянок).

2. Удосконалено метод адаптивного балансу впливів, а саме: сформовано причинно-наслідкові зв'язки у досліджуваних системах, розроблено концептуальні та динамічні моделі, системні діаграми і динамічні рівняння моделей для моделювання динаміки техногенного навантаження на природне середовище, прогнозування нафтогазоперспективності ділянок досліджуваної території при наявності діючих свердловин (еталонних ділянок) та оцінки ефективності функціонування космічного геомоніторингу.

Обґрунтованість і достовірність наукових результатів підтверджуються використанням сучасних методів системного аналізу; побудовою математичних моделей та моделюванням складних систем; апробацією та перевіркою обґрунтованих методів системного моделювання на конкретних прикладах, що показали розширення функціональних можливостей і ефективність космічного геомоніторингу при вирішенні задач природокористування та одержання при цьому таких результатів, які неможливо виявити традиційними методами.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що:

- визначено перспективні напрямки використання системного моделювання та інформації КГМ при вирішенні задач природокористування;

- виконана порівняльна оцінка варіантів структури космічних систем ДЗЗ типу “Січ” і угрупування мікросупутників при вирішенні задач природокористування;

- досліджено динаміку розвитку техногенного навантаження на територію Нікопольського гірничопромислового району;

- виконано моделювання і прогноз нафтогазоперспективності ділянок Дніпровсько-Донецької западини;

- виконано експертний прогноз нафтогазоперспективності ділянок Каспійського шельфу Туркменістану.

Особистий внесок здобувача. Наукові результати, що стосуються формування інформаційної технології КГМ на основі системного підходу, отримані здобувачем особисто, опубліковані в [1]. У працях, опублікованих у співавторстві, автору належать такі результати: виконано попарне порівняння критеріїв на ієрархічних рівнях при оцінці та виборі варіантів космічних систем ДЗЗ між системами типу “Січ” і угрупуванням мікросупутників методами аналізу ієрархії [2, 7] та науково-технологічного передбачення [6]; обґрунтовано методику використання системного моделювання для оцінки нафтогазоперспективності досліджуваної території при відсутності [4] та наявності [11] еталонних ділянок; обґрунтовано застосування методу адаптивного балансу впливів при моделюванні техногенного впливу на природне середовище [3, 14]; розглянуто використання системної методології в задачах природокористування [5]; виконано оцінку і вибір параметрів космічних знімків (КЗ) ДЗЗ для вирішення задач природокористування [8]; сформовано схему причинно-наслідкових зв'язків космічного геомоніторингу та визначені модулі його функціонування [9]; сформовані концептуальна і динамічна моделі геомоніторингу та виконано системне моделювання розвитку його функціонування [10, 12]; виконана оцінка перспективних напрямків використання інформації КГМ [13].

Апробація результатів дисертації.

Результати дисертаційних досліджень апробовані на наукових конференціях і семінарах: Міжнародній науково-практичній конференції «Сучасні проблеми створення і ефективного використання єдиного геоінформаційного простору України при підготовці і прийнятті управлінських рішень» _ Київ 2007. [11], Шостій українській конференції по космічним дослідженням. _ Євпаторія - 2006 [12], Міжнародній науково-практичній конференції «Сучасні проблеми екологічної та техногенної безпеки регіонів» Крим-Київ-Харків _ 2006 [13], Першій Всеукраїнській конференції «Аерокосмічні спостереження в інтересах сталого розвитку та безпеки (GEO-UA 2008) Київ - 2008 [14].

Публікації. Основні результати досліджень опубліковані у 14 друкованих роботах, що включають 10 статей у фахових виданнях ВАК України (в тому числі, одна _ без співавторів) та 4 публікації в працях конференцій та семінарів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновку, переліку використаних джерел та додатку _ акту про впровадження. Робота містить 150 сторінок друкованого тексту, 36 таблиць та 31 рисунок. Перелік використаних літературних джерел включає 132 найменувань.

Основний зміст роботи

У першому розділі “Основні передумови застосування системного моделювання і космічного геомоніторингу для вирішення задач природокористування” розглядається концепція застосування системного моделювання та аналізується роль інформації космічного геомоніторингу при вирішенні задач природокористування, досліджуються інформативні ознаки природних процесів і об'єктів КГМ, аналізується структура космічної системи та параметри апаратурних комплексів ДЗЗ. Для цього встановлюються кореляційні зв'язки між станом досліджуваних об'єктів та ознаками об'єктів, що реєструються. Ці зв'язки, як правило, складні і неоднозначні, потребують застосування апарату системного моделювання та вибору підходів при вирішенні конкретних тематичних задач.

Другій розділ “Теоретичні і методичні основи системного моделювання” присвячений аналізу математичних методів системного аналізу, на основі яких реалізується вирішення задач природокористування (рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1 Методи системного моделювання для вирішення задач природокористування

Так, при вирішенні задач, що потрібують одночасного досягнення найкращих значень для всіх критеріїв, кожний з яких характеризує одну зі сторін розглянутої проблеми широко застосовується відомий метод багатокритеріальної оптимізації. Для розв'язання таких задач використовуються алгоритми, що складаються з наступних етапів: введення функції близькості - S порівнюваних величин a i b, обчислення оцінки для функції близькості (S) та функції відповідності - f для досліджуваного об'єкту по опорній множині класів. Функція відповідності (f) описує ступінь збігу значень порівнюваних величин. Вибір тієї чи іншої функції відповідності визначається характером задачі. Для оцінки ступеня належності об'єкту (процесу) А до об'єкту (процесу) В визначається функція належності - F:

(1)

де , - міра важливості.

Найбільшого значення функція F досягає, коли значення параметрів a i b рівні, а найменшого значення, рівного нулю - коли не відповідає жодному параметру.

Для моделювання інтегральних процесів в геосистемах і оцінки ресурсного потенціалу Тимченко І.Є. (2000) було запропоновано метод адаптивного балансу впливів (АВС-метод), як розвиток методу системної динаміки. Цей метод полягає в розробці концептуальної моделі і формуванні схеми причинно-наслідкових зв'язків між елементами системи, на основі якої створюється системна діаграма моделі. Для формалізації моделі складають математичні рівняння, що описують адаптивний баланс впливів у системі.

У загальному випадку, коли модельована система вміщує взаємозв'язаних процесів (модулів X_i), система динамічних рівнянь АВС-моделі приймає вигляд:

(2)

Більш простим рівняння стає при виборі базової функції впливу у формі параболи, тоді рівняння має наступний вигляд:

(3)

Надаючи індексу значення , отримуємо систему рівнянь динамічної АВС-моделі. Коефіцієнти впливу в рівняннях АВС-моделі можуть бути ідентифіковані двома основними шляхами: за оцінками експертів та на основі статистичної обробки архівних даних. Останній дозволяє прогнозувати розвиток процесу з найбільшою вірогідністю.

Методи експертних оцінок застосовують у випадку, коли оцінка того чи іншого процесу не піддається безпосереднім вимірам та обчисленням. Запропонований Т. Сааті (1991) метод аналізу ієрархій дає можливість на основі ієрархічної схеми і експертних оцінок сформувати необхідну цільову функцію (4) і вибрати з багатьох альтернативних варіантів переважаючий для вирішення задач природокористування:

(4)

де верхній індекс критеріального пріоритету К_j позначає рівень ієрархії;

- коефіцієнт переваги варіанта s за показником p,:

; .

При цьому виконується декомпозиція цільової функції на більш прості показники, що об'єднуються у відповідні рівні ієрархічної схеми. Для формалізації експертної процедури будується множина матриць попарних порівнянь для кожного рівня і за кожною складовою даного ієрархічного рівня проводиться їх нормалізація і оцінка векторів пріоритетів К_j з точки зору ступеню впливу на складові попереднього рівня. Обробка матриць, наприклад, чотирьох рівнянь дає можливість вирахувати вектори пріоритетів відповідних рівнянь , , і , компоненти яких визначають пріоритети з точки зору експерта. Значення дозволяють встановити перевагу того чи іншого альтернативного варіанту системи за всією сукупністю аналізованих факторів. Другий метод експертних оцінок _ науково-технологічного передбачення, _ полягає в тому, що сценарії вибору того або іншого варіанту формулюються на описовому рівні і характеризуються інформаційною невизначеністю, що не дозволяє дати точну оцінку процесу розвитку, а тільки є певним ступенем можливості реалізації такої оцінки. Основними характеристиками при груповому експертному оцінюванні є наступні: узагальнена думка групи експертів, ступінь узгодженості суджень експертів, компетентність експертів. Якщо оцінювані варіанти (n) подати у вигляді кінцевої множини V, то кожний даний варіант - характеризується кінцевою безліччю показників (критеріїв) - К. Кожний експерт, проводить експертизу на основі наданої йому інформації у формі шкали якісного і кількісного оцінювання показників. Оцінювання проводиться не шляхом ранжування, а з використанням нечітких змінних. Для цього гіпотетичні значення кожного критерію розбиваються на сім рівнів, починаючи від особливо низького і закінчуючи особливо високим. Експерт повинен дати оцінку досліджуваного варіанту розв'язку задачі на кожному рівні.

Генетичний алгоритм, який застосовують для скорочення кількості варіантів розв'язування задачі, полягає у генерації початкової популяції, селекції, схрещування, мутації і механізмах останову (зупинення моделювання еволюційного процесу).

У третьому розділі “Удосконалення і оцінка інформаційно-технічних складових космічного геомоніторингу” розглядаються питання: моделювання і визначення перспективних напрямків використання інформації КГМ і порівняльна оцінка варіантів структури КС ДЗЗ на основі методу аналізу ієрархій із застосуванням експертних оцінок, виконується оцінка та вибір космічних знімків ДЗЗ за допомогою методу багатокритеріальної оптимізації, проводиться аналіз структурно-текстурних ознак космічних знімків та моделювання ефективності функціонування КГМ при вирішенні задач природокористування.

Рівень 0. Оптимізація напрямків використання інформації космічного геомоніторингу
Рівень 1. Програмні засоби обробки космічної інформації ДЗЗ
1.1. Автоматизоване картографування	1.2. Просторовий аналіз і пошук	1.3. Інтеграція різних даних	1.4. Структурно- текстурний аналіз	1.5. Аналіз спектрів яскравості
Рівень 2. Цифрові карти, що створюються на основі космічної інформації ДЗЗ
2.1. Ландшафти	2.2. Топографія	2.3. Геологія	2.4. Гідрографія і гідрологія	2.5. Міська мережа	2.6. Транспор-тна мережа
Рівень 3. Космічні системи ДЗЗ, з яких отримують космічні знімки
3.1. Січ2, 3.2. Січ3, 3.3. Landsat-7, 3.4. SPOT, 3.5. Envisat, 3.6. Terra, 3.7. IRS-P4, 3.8. NMP, 3.9. NOAA
Рівень 4 Необхідна інформація для космічного геомоніторингу
4.1. Виділення площ об'єктів	4.2. Зображення з високим розрізненням	4.3. Різночасові зображення	4.4. Зображення з широкою смугою огляду	4.5. Визначен-ня сумарної площі
Рівень 5. Галузі господарської і природоохоронної діяльності
5.1. Сільське господарство D = 0,27	5.2. Екологія D = 0,25	5.3. Природні ресурси D = 0,19	5.4. Міське госпо- дарство D = 0,12	5.5.Картогра-фування D = 0,17

Рис. 2 Ієрархічна схема оцінки пріоритетів напрямків використання космічної інформації ДЗЗ в КГМ

Ієрархічна схема оцінки пріоритетів (рис. 2) відповідно до оптимізації напрямків використання інформації КГМ формується шляхом ранжування різних галузей господарчої та природоохоронної діяльності за ступенем попиту інформації КГМ для вирішення відповідних тематичних задач. Для порівнюваних варіантів і визначення відносного попиту інформації КГМ для кожної з господарчих та природоохоронних галузей були отримані значення узагальнюючого критерію D (рівень 5). Отримані результати показують, що для таких галузей як сільське господарство і екологія попит інформації КГМ більший (0,27 0,25 відповідно) ніж для інших галузей.

Для оцінки і вибору космічних знімків (КЗ) пропонується застосувати метод багатокритеріальної оптимізації. При цьому вибір компромісного варіанту виконується шляхом порівняння параметрів досліджуваних КЗ з інформативними характеристиками тематичних задач. Ступінь відповідності параметрів КЗ характеристикам тематичних задач визначається за критерієм Э (5), де F(M) - функція належності; M={M_p}- науково прикладна програма природокористування, що складається з безлічі підпрограм, р=1, 2, 3,…,h; h - кількість підпрограм; k(p) - кількість задач p-ої підпрограми; m(lp) - кількість інформативних характеристик l-ої задачі p-ої підпрограми.

(5)

Для забезпечення високої ефективності КГМ є необхідними не тільки оптимізація параметрів бортового апаратурного комплексу ДЗЗ, але і вибір відповідної структури КС ДЗЗ. При цьому можуть використовуватися як великі космічні апарати типу «Січ» (варіант А), так і орбітальні угрупування, що складаються з декількох малих КА (варіант В). Задача полягає в обґрунтуванні вибору варіанта КС ДЗЗ шляхом системного моделювання порівняльної оцінки інформаційно-технічних параметрів КС відносно ефективності вирішення задач природокористування. Моделювання і оцінка альтернативних варіантів КС ДЗЗ виконуються на основі двох різних підходів: аналізу ієрархії та технологічного передбачення.

При використанні методу аналізу ієрархії за ступінь відносної переваги по кожному з параметрів варіантів приймається система критеріїв на різних ієрархічних рівнях. На нульовому рівні визначається основна мета дослідження - ефективність системи КГМ. На першому рівні знаходяться основні сфери діяльності споживачів КІ ДЗЗ, які мають бути оцінені по відношенню до критерію нульового рівня. На другому рівні представлені тематичні задачі різних сфер діяльності, при розв'язанні яких використовується інформація КГМ. Третій рівень включає групи показників ефективності космічних систем ДЗЗ, за якими відбувається оцінка виконання задач даних галузей. Складові кожної з груп показників ефективності (рівень 3) утворюють четвертий рівень ієрархії. Так, для характеристики КЗ основними є просторове і спектральне розрізнення, частота перегляду, розмір кадру на місцевості, оперативність надходження даних. П'ятим рівнем є варіанти КС ДЗЗ, серед яких розглядаються дві альтернативи: А - КС типу «Січ» і В - орбітальне угрупування мікросупутників. Коли дана задача представлена ієрархічно, складаються матриці порівняння впливу кожного з рівнів на попередній. Одночасно з матрицею парних порівнянь виконується оцінка ступеня відхилення від узгодженості одержаних локальних пріоритетів шляхом обчислення індексу узгодженості. Після отримання на всіх рівнях ієрархії критеріальних складових були визначені кількісні значення узагальненого критерію D. В результаті розрахунків встановлено, що для таких сфер діяльності КГМ, як лісівництво і міське господарство за всією сукупністю врахованих чинників більш ефективним буде варіант типу «Січ» (D_A = 0.54), а для таких сфер діяльності КГМ, як національна безпека і екологічний моніторинг більш ефективним буде варіант _ орбітальне угрупування мікросупутників (D_В = 0.59).

На основі методу науково-технологічного передбачення шляхом процедури колективного експертного оцінювання, порівняння варіантів А (КС типу «Січ») і В (мікросупутники) полягає у максимізації вибраних трьох показників: досвід експлуатації (1), надійність(2), оперативність(3). В експертній оцінці брали участь чотири експерти. Варіанти характеризуються узагальненими умовними кількісними оцінками R за трьома показниками, що позначені відповідно: для варіанту А - R₁(A)=0,85, R₂(A)=0,54, R₃(A)=0,51; для варіанту В - R₁(B)=0,68, R₂(B)=0,70, R₃(B)=0,55. Таким чином, варіант А має більш високу оцінку за першим показником, варіант В - за другим і третім.

Проведені дослідження порівняльної оцінки альтернативних варіантів структури КС ДЗЗ показали доцільність комплексного використання методів аналізу ієрархій і науково-технологічного передбачення, що доповнюють один одного при оцінці КС ДЗЗ.

Наступна задача - моделювання ефективності засвоєння інформації космічного геомоніторингу, виконувалася на основі АВС-методу відповідно до схеми причинно-наслідкових зв'язків моделі КГМ ДЗЗ. На основі зв'язків між модулями моделі була побудована системна діаграма і сформована математична модель. Результати моделювання представлені на рис. 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3 Результати моделювання ефективності функціонування КГМ при рішенні задач природокористування

Уточнюючи функції впливу моделі, можливо знайти такий сценарій функціонування КГМ (Х₁), при якому об'єм виконуваних тематичних задач (Х₃) і відповідні витрати (Х₈) на використовувану інформацію КГМ, будуть підтримуватися на рівні, що задовольнятиме попит споживачів інформації і ресурсні можливості, призначені для вирішення тематичних задач ДЗЗ.

У четвертому розділі “Вирішення задач природокористування на основі системного моделювання і космічного геомоніторингу” розглянуто прикладні задачі КГМ, такі як моделювання техногенного впливу на природне середовище, дослідження динаміки розвитку техногенного навантаження на територію Нікопольського гірничопромислового району, а також визначення нафтогазоперспективності території при наявності і відсутності еталонних ділянок на прикладі Дніпровсько-Донецької западини (ДДЗ) і Каспійського шельфу Туркменістану відповідно.

Використовуючи АВС-метод, який базується на врахуванні причинно-наслідкових зв'язків між модулями складної системи, можливо на основі вже відомих з попередніх спостережень значень геоекостану прогнозувати його майбутні значення. При цьому якість прогнозу визначається кореляційними зв'язками між прогнозним станом та відомим станом з ретроспективного аналізу.

Концептуальна модель техногенного впливу на геологічне середовище (рис. 4) в еколого-економічній системі враховує рівні, які відображають, об'єм виробництва (Х₈), обсяг споживання природних ресурсів (Х₉), екологічний стан природного середовища (Х₃), техногенне навантаження на геологічне середовище (Х₂), природно-охоронні заходи (Х₅), обмеження використання природних ресурсів (Х₆), рентабельність виробництва (Х₄), екологічний штраф (Х₁) и ресурсну ренту (Х₁₁), собівартість продукції (Х₁₀) та попит на продукцію ( Х₇).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4 Концептуальна модель техногенного впливу на геологічне середовище

Основна складність полягає у підтримці балансу споживання природних ресурсів між об'ємом промислового виробництва та техногенним навантаженням. Стимулом збільшення об'єму виробництва є рентабельність виробництва, яка залежить від попиту на продукцію, собівартості виробництва і відрахувань на погашення ресурсної ренти та екологічних штрафів. Останні є результатом техногенного впливу, що порушує баланс і включає механізм обмеження споживання природних ресурсів.

Згідно з АВС-методом на основі концептуальної моделі будується схема причинно-наслідкових зв'язків і формується системна діаграма. Після чого з'являється можливість на основі (2, 3) записати динамічні рівняння АВС-моделі в явному вигляді. Для скорочення тут показано одне з них (6), яке має вигляд:

X_1k = X_1j + X_1j [_x1(X₂)]; X_2k = X_2j + X_2j [_x2(X₈)], (6)

де і - номери часових відліків моделювання процесу ДЗЗ.

Використовуючи отриману систему динамічних рівнянь і враховуючи початковий вигляд функції впливу, виконуються експерименти по імітації динаміки поведінки системи при різноманітних змінах на кожному з рівнів. Функції впливу через відповідні потоки, забезпечують взаємний вплив компонентів вектора обсягів виробництва, техногенного навантаження і екостану до динамічної рівноваги системи.

В результаті моделювання були отримані залежності (рис. 5), розглянувши які можливо дійти висновку, що на першому етапі при безперервному збільшенні обсягів виробництва (Х₈) спостерігається зростання техногенного навантаження (Х₂) та збільшення споживання ресурсів (Х₉). При цьому в регіоні погіршується екостан (Х₃) і після 16 відліку, з деяким відставанням від змін в екостані, активізуються природоохоронні заходи (Х₅). Після 20-го відліку реалізація природоохоронної програми приводить до помітного поліпшення екології і стабілізації споживання природних ресурсів.

Рис. 5 Результати моделювання техногенного впливу на природне середовище

Уточнюючи функції впливу, можна обґрунтувати такий сценарій функціонування системи, при якому використовуваний обсяг природних ресурсів і відповідні техногенні навантаження будуть підтримуватися на відповідному рівні.

Як приклад, була розглянута Нікопольська ділянка (рис. 6), яка зазнала техногенного навантаження під впливом господарської та гірничопромислової діяльності. Використовуючи розглянутий вище АВС-метод, були сформовані основні причинно-наслідкові зв'язки між модулями, що відображають характер функціонування природно-технічних систем (ПТС) Нікопольської ділянки: техногенне навантаження на навколишнє середовище, об'єм промислового виробництва, площа під природними процесами, площа під антропогенно-модифікованими, антропогенними і техногенно-індустріальними процесами.

Взаємний вплив процесів на території Нікопольського гірничопромислового району за досліджуваний період визначався з кореляційних зв'язків між техногенним навантаженням на навколишнє середовище і змінюваними розмірами площ ландшафтних комплексів. Для цього для обчислення площ використовувалися матеріали багаторічної космічної інформації ДЗЗ за 1986 _ 2009 роки.

В результаті було виконано системне моделювання розвитку техногенного навантаження в Нікопольському гірничопромисловому районі при змінному об'ємі виробництва продукції. Останнє дозволяє обґрунтувати такий сценарій функціонування ПТС, при якому відповідні техногенні навантаження будуть підтримуватися на рівні спроможності природних ресурсів і задовольняти розвитку промислового виробництва.

Рис. 6 Нікопольська ділянка

Системне моделювання і прогноз нафтоперспективності ділянок території було виконано на прикладі фрагменту території (розміром 60x80 км²) Дніпровсько-Донецької западини (ДДЗ) на основі аналізу космічного знімку Landsat-7 спектрального діапазону 0.53-0.61 мкм з просторовим розрізненням 30 м. (рис. 7.1). Досліджувана площа була розділена на 270 елементарних ділянок розміром 4x4 км. Ці ділянки були прокалібровані за інформативними ознаками, які отримані в результаті дослідження відомих нафтопродуктивних ділянок, що були прийняті за еталон (на рисунках 7.3 і 7.4 зображені чорними овалами).

Рис. 7 Оцінка нафтоперспективності ділянки ДЗЗ: 1 _ фрагмент КЗ Landsat-7; 2 _ матриця значень параметру Хараліка «енергія»; 3 _ параметри геотермічного стану; 4 - результати оцінки нафтоперспективності

З багаторічної практики дистанційних досліджень доведено, що існує певний зв'язок між наявністю в геологічних структурах вуглеводнів _ Р і такими фізичними характеристиками, як: спектральні оптичні (О), структурно-текстурні (Т), геофізичні (R) та геологічні (G) особливості регіону. Також за допомогою АВС-методу рівень нафтогазоперспективності подається за інтегральною оцінкою наявності родовища на основі визначення і оцінок характеристик у вигляді процесів . Це дозволяє для оцінки нафтогазоперспективності ділянок використовувати метод адаптивного балансу впливів. Для даної задачі одне з рівнянь АВС-моделі має вигляд:

(7)

Після визначення значень коефіцієнтів впливу а, з'являється можливість виконати моделювання процесу Р (наявність вуглеводнів). Коефіцієнти впливу для моделі (7) визначалися на основі інформації, одержаної на еталонних ділянках. При дешифруванні космічного знімка були отримані інформативні ознаки у вигляді параметрів Хараліка: енергія, ентропія і однорідність. На рисунку 7.2 приведена матриця розповсюдження параметру Хараліка _ «енергія» по площі знімка. В якості наземної інформації використовувався комплекс геолого-геофізичних характеристик цього фрагменту території, а саме значення: геотермічного стану, залишкових аномалій гравітаційного поля, аномального магнітного поля ?Т, палеотемператур, температур на розтині 3500 та 5000 мм. Аномалії цих характеристик так чи інакше пов'язані з формуванням нафтових і газових покладів. На рисунку 7.3, як приклад, подана лише одна характеристика _ геотермічний стан досліджуваної території ДДЗ.

Далі формувались рівняння динамічної моделі для еталонних ділянок, обчислювались кореляційні зв'язки та визначались коефіцієнти рівнянь АВС-моделі. Наявність покладів нафти на досліджуваних ділянках оцінювалась шляхом рішення рівнянь АВС-моделі. Результати системного моделювання прогнозу покладів вуглеводнів досліджуваної ділянки Дніпровсько-Донецькій западині приведені на рисунку 7.4, де рівень нафтоперспективності пропорційний яскравості зображення.

Оцінка достовірності прогнозу нафтоперспективності була виконана шляхом обчислення кореляційного зв'язку між параметрами, які характеризують відомі родовища, і прогнозними (розрахунковими) їх оцінками. Отримана кореляція дорівнює 0.83, що цілком задовольняє вирішуваній задачі та підтверджує достовірність результатів прогнозу.

При дослідженні нафтогазоперспективності території в умовах відсутності еталонних ділянок застосувався метод аналізу ієрархій. Розроблена для цього випадку ієрархічна схема була використана при оцінці нафтогазопріоритетності ділянок Каспійського шельфу Туркменістану.

№ ділянки	10	11	12	13	15
Оцінка	0.034	0.028	0.044	0.037	0.042
№ ділянки	16	17	18	20	21
Оцінка	0.066	0.058	0.060	0.058	0.054
№ ділянки	22	23	24	25	26
Оцінка	0.028	0.056	0.064	0.062	0.058
№ ділянки	27	28	29	30	31
Оцінка	0.057	0.058	0.044	0.049	0.048

Рис. 8 Результати оцінок нафтогазоперспективності ділянок Каспійського шельфу

Оцінка пріоритетності ділянок виконувалась на основі значень узагальненого критерію D (4). В якості інформативних ознак були використані параметри Хараліка космічного знімку Modis.

На рис. 8. приведена таблиця результатів відносних оцінок ділянок - значення критерію D, а також фрагмент Каспійського шельфу КЗ Terra-Modis ( R=500 м, 545-565 nm) і, в якості прикладу, розподіл по фрагменту космічного знімка значень параметра Хараліка «однорідність». За даними обчислень найбільш пріоритетними є ділянки №№16, 24, 25 і саме ці ділянки є першочерговими для подальшого дослідження.

Висновки

При розв'язанні поставлених задач були отримані такі найважливіші результати:

1. Обґрунтовано методики експертних оцінок (аналізу ієрархії і науково-технологічного передбачення) та багатокритеріальної оптимізації, а саме: побудовано ієрархічні схеми порівняння критеріїв, розроблено цільові функції та функції відповідності і належності, сформовано вектори пріоритетів, часткові та узагальнені критерії для моделювання і оцінки інформаційно-технічних складових космічного геомоніторингу та вирішення задач природокористування.

2. Удосконалено і впроваджено метод адаптивного балансу впливів, а саме: сформовано причинно-наслідкові зв'язки у досліджуваних системах, розроблено концептуальні та динамічні моделі, системні діаграми і динамічні рівняння моделей для системного моделювання природних і техногенних процесів при вирішенні задач природокористування.

3. Зроблено порівняльне оцінювання варіантів структури КС ДЗЗ типу «Січ» і угрупування мікросупутників, яке визначило доцільність для вибору структури КС ДЗЗ комплексного використовування методів аналізу ієрархій та науково-технологічного передбачення, які доповнюють один одного по критеріям і показникам.

4. Виконано формування і апробація алгоритму оцінки і вибору параметрів космічних знімків для вирішення задач природокористування на основі аналізу критеріїв якості оптичних зображень та методу багатокритеріальної оптимізації.

5. Визначено, що для таких галузей як сільське господарство, екологія і надзвичайні ситуації попит на інформацію КГМ найбільший.

6. Досліджено динаміку розвитку техногенного навантаження на територію Нікопольського гірничопромислового району. Моделювання показало, що АВС-модель екосистеми адекватно реагує на зміну об'єму виробництва, яке приводить до відповідної зміни техногенного навантаження.

7. Зроблено прогнозування нафтогазоперспективності ділянок території Дніпровсько-Донецької западини на основі моделювання з використанням АВС-моделі. При цьому кореляція між параметрами відомих свердловин і прогнозними їх оцінками має значення - 0.83, що підтверджує достовірність результатів моделювання і прогнозу.

8. На прикладі Каспійського шельфу Туркменістану виконано прогнозування нафтогазоперспективності ділянок території при відсутності діючих свердловин (з використанням методу аналізу ієрархії).

9. Моделювання ефективності функціонування КГМ показало, що уточнюючи функції впливу, можливо обґрунтувати такий сценарій функціонування КГМ, при якому об'єм і відповідні витрати будуть підтримуватися на рівні, що задовольнятиме попит споживачів інформації і ресурсні можливості.

СПИСОК опублікованих праць за темою дисертації

Статті у наукових фахових виданнях:

1. Боднар О.М. Формування інформаційної технології космічного геоекологічного моніторингу на основі системного підходу // Доповіді Національної академії наук України. 2006. №.7. С. 122-129.

2. Боднар Е.Н. Оценка и выбор варианта космической системы ДЗЗ на основе метода анализа иерархий. / Боднар Е.Н., Якимчук В.Г., А.Д. Федоровский / Доповіді національної академії наук. 2005. № 8. С. 106-111.

3. Боднар О.М. Системне моделювання природних процесів на основі космічної інформації ДЗЗ і наземних спостережень / Боднар О.М., Козлов З.В., Федоровський О.Д. / Космічна наука і технологія. 2008. Т.14 № 4. С. 53-57.

4. Боднар О.М. Системний підхід до оцінки нафтогазоперспективності територій для наступної геофізичної розвідки / Бондар О.М., Козлов З.В., Якимчук В.Г., Федоровський О.Д. / Доповіді Національної академії наук України. 2006. №.8. С. 127-132.

5. Боднар Е.Н. Системные концепции развития космического геомониторинга / Бондар Е.Н., Козлов З.В., Федоровский А.Д. / Системы контроля окружающей среды: Сб. научн. тр. НАН Украины. Севастополь: МГИ. 2006. С. 184-188.

6. Даргейко Л.Ф Стратегия выбора перспективного варианта развития космической системы ДЗЗ / Даргейко Л.Ф., Боднар Е.Н., Козлов З.В., Федоровский А.Д. / Системні дослідження та інформаційні технології. 2006. № 4. С. 56-64.

7. Федоровский А.Д. Оценка эффективности космических систем ДЗЗ на основе метода анализа иерархий. / Федоровский А.Д., Якимчук В.Г., Боднар Е.Н, Козлов З.В./ Космічна наука і технологія. 2005. Т 11, № 3/ 4. С. 75-80.

8. Федоровский А.Д. Геоинформационный подход к прогнозной оценке эффективности использования космической информации ДЗЗ при решении задач природо и недропользования: постановка задачи и пути решения / Федоровский А.Д., Боднар Е.Н., Козлов З.В., Якимчук В.Г. / Теоретичні та прикладні аспекти геоінформатики. Збірник наукових праць. Київ.2007. С. 212-228.

9. Федоровский А.Д. Системная концепция повышения эффективности космического геомониторинга для решения задач природопользования / Федоровский А.Д., Боднар Е.Н. / Системні дослідження та інформаційні технології. 2008. №4. С. 66-76.

10. Федоровский А.Д. Системная методология развития космического геоэкологического мониторинга. / Федоровский А.Д., Боднар Е.Н., Козлов З.В. / Космічна наука і технологія. 2006. Т.12, № 4. С. 86-97.

1. Статті та тези у збірниках праць конференцій та семінарів:

11. Боднар О.М. Прогнозування покладів вуглеводнів на основі комплексного використання космічної інформації дистанційного зондування Землі і наземних спостережень для наступної геофізичної розвідки / Боднар О.М., Козлов З.В. / Матеріали міжнародної науково-практичної конференції «Сучасні проблеми створення і ефективного використання єдиного геоінформаційного простору України при підготовці і прийнятті управлінських рішень». Київ. 2007. С. 133-137.

12. Федоровский А.Д Системная методология повышения эффективности космического геоэкологического мониторинга Федоровский А.Д., Боднар Е.Н., Козлов З.В., Якимчук В.Г. / Сборник тезисов шестой украинской конференции по космическим исследованиям. Евпатория. 2006. С. 115.

13. Боднар Е.Н. Востребованность данных ДЗЗ в задачах природопользования. / Бондар Е.Н., Лищенко Л.П. / Збірник наукових праць ”Сучасні проблеми екологічної та техногенної безпеки регіонів” Міжнародна наук-практ. конф. Крим-Київ- Харків. 2006. С. 124-125.

14. Боднар О.М. Оцінка, прогноз і моделювання геоекологічного стану гірничопромислових території на основі аерокосмічної інформації ДЗЗ (на прикладі Нікопольського гірничопромислового регіону). / Боднар О.М., Ліщенко Л.П., Федоровський О.Д./ Матеріали доповідей Першої Всеукраїнської конференції «Аерокосмічні спостереження в інтересах сталого розвитку та безпеки (GEO-UA 2008) Київ. 2008. С. 181-182.

АНОТАЦІЯ

Боднар О.М. “Системне моделювання у вирішенні задач природокористування на основі космічного геомоніторингу”. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.12 - дистанційні аерокосмічні дослідження - Державна установа «Науковий Центр аерокосмічних досліджень Землі Інституту геологічних наук НАН України», Київ 2010.

Дисертаційне дослідження присвячене застосуванню системного моделювання для розширення функціональних можливостей космічного геомоніторингу (КГМ) при вирішенні задач природокористування. Для моделювання та прогнозу розвитку процесів у навколишньому середовищі було обґрунтовано використання методів: багатокритеріальної оптимізації, системної динаміки та адаптивного балансу впливів (АВС), експертних оцінок (аналізу ієрархії і науково-технологічного передбачення) та було визначено перспективні напрямки використання інформації КГМ для вирішення тематичних задач природокористування в умовах збільшення їх номенклатури і об'єму. Отримані результати показали попит на інформацію КГМ для таких галузей як сільське господарство (0,27), екологія та надзвичайні ситуації (0,25) природні ресурси (0,19), картографія (0,17), міське господарство (0,12). Виконано порівняльну оцінку варіантів структури космічних систем (КС), яка визначила доцільність комплексного використання методів аналізу ієрархій і науково-технологічного передбачення, що доповнюють один одного за критеріями і показниками оцінки КС ДЗЗ. Проведено аналіз критеріїв оцінки якості оптичних зображень та розроблено підхід до вибору космічних знімків ДЗЗ. Обробка космічних знімків високої розрізненності на основі структурно-текстурного аналізу дала додаткову інформацію щодо структурних особливостей поверхні при пошуку корисних копалин. Використання методів системного моделювання для дослідження динаміки розвитку техногенного навантаження на природне середовище на прикладі Нікопольського гірничопромислового району показало, що модель адаптивного балансу впливу адекватно реагує на зміну об'єму виробництва, яке приводить до відповідної зміни техногенного навантаження та площ зайнятих природними, антропогенно-модифікованими, антропогенними і техногенно-індустріальними процесами. У роботі запропоновано об'єктивний спосіб оцінки нафтогазоперспективності ділянок _ порядок дій та умов, які дозволяють більш детально визначати відповідні інформативні ознаки присутності покладів вуглеводнів.

КЛЮЧОВІ СЛОВА: системне моделювання, космічний геомоніторинг, космічні системи, космічна інформація, дистанційне зондування Землі.

...