Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Исследование и разработка системы регионального мониторинга земель

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, доктора технических наук, Поляков, Юрий Александрович, Барнаул

щ

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

/

/•

АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ПОЛЯКОВ Юрий Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ РЕГИОНАЛЬНОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМЕЛЬ

11.00.11 - охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

,1

а}

)4у ,

О'

А / *

-чр- 1

г-Н-

г>

ие^ ..-«¿У5' " »

арнаул

\

СОКРАЩЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ТЕКСТЕ

АИС - автоматизированная информационная система

АС - автоматизированные системы

АСРМЗ - автоматизированная система регионального

мониторинга земель АСУ - автоматизированная система управления АСУП - автоматизированная система управления предприятием АСУТП - автоматизированная система управления технологическими процессами АРМ - автоматизированное рабочее место ИТ - информационные технологии

ИТ АСРМЗ - информационные технологии автоматизированной

системы регионального мониторинга земель ИТРМЗ - информационные технологии регионального мониторинга земель

МЗ - мониторинг земель

СМЗ - система мониторинга земель

СРМЗ - система регионального мониторинга земель

- з -

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................6

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ И РАЗВИТИЯ РЕГИОНАЛЬНОГО

МОНИТОРИНГА ЗЕМЕЛЬ............................16

1.1. Земельная реформа и мониторинг земель: региональный аспект................................16

1.2. Развитие негативных процессов на землях Западной Сибири и Алтайского края как объектах регионального мониторинга земель.....31

1.3. Анализ опыта создания сложных информационных систем и возможность его использования в автоматизированной системе регионального мониторинга земель (АСРМЗ)....................78

1.4. Тенденции развития информационных технологий..92

1.5. Проблемы создания АСРМЗ.......................99

ГЛАВА 2. КОНЦЕПЦИЯ СОЗДАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ

СИСТЕМ РЕГИОНАЛЬНОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМЕЛЬ. .... .112

2.1. Основные положения...........................112

2.2. Цели создания и функции системы регионального мониторинга земель...........................116

2.3. Основные требования к конструкции автоматизированной системы регионального мониторинга земель.......................................121

2.4. Этапы проектирования и создания системы, перечень необходимых программно-техни-

ческих средств...............................126

2.5. Интеграция информационных ресурсов о состоянии

земель в единое информационное пространство..130

ГЛАВА 3. ИНФОРМАЦИОННО-ЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АСРМЗ.140

3.1. Задачи и методы информационно-логического моделирования АСРМЗ.........................140

3.2. Выбор информационно-логической модели АСРМЗ..14 3

3.3 Разработка информационно-логической схемы обработки информации АСРМЗ....................14 9

3.4 Информационно-логическая модель обработки данных в элементе АСРМЗ.......................161

3.5 Логическая структура АСРМЗ....................175

ГЛАВА 4. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ АСРМЗ.............17 8

4.1. Формализация предметной области системы регионального мониторинга земель.............180

4.2. Система сбора информации о состоянии

объектов наблюдения..........................187

4.3. Методы формирования баз данных, информационные технологии создания и обработки цифровых карт................................196

4.4. Отображение данных об объектах регионального мониторинга земель...........................206

4.5. Инфраструктура мониторинга земель и создания системы информационных технологий............2 35

ГЛАВА 5. РЕАЛИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ МОНИТОРИНГА ЗЕМЕЛЬ В РЕГИОНАХ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ..............................245

5.1. Организация системы мониторинга земель Алтайского края..............................245

5.2. Автоматизированная информационная система управления земельными ресурсами

Алтайского края (АИС'Земля Алтая")...........251

5.3. Подсистема сбора и систематизации ретроспективных материалов и данных дистанционного зондирования............................263

5.4. Система накопления и отображения информации регионального мониторинга земель.............274

5.5. Система накопления и ведения данных

о земельном фонде...........................293

5.6. Внедрение АСРМЗ в регионах Западной Сибири...302

ЗАКЛЮЧЕНИЕ:...........................................311

ЛИТЕРАТУРА............................................315

ПРИЛОЖЕНИЕ.Проект программы мониторинга земель Алтайского края на 1998 год и до 2005 года.

- б -

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Земельные ресурсы России являются одним из основных ее национальных богатств, поэтому решение проблем их сохранения и рационального использования входят в число приоритетных направлений государственной и региональной политики. Земля, как важнейшая часть окружающей природной среды, является главным средством производства в сельском и лесном хозяйстве, а также пространственным базисом для жизни и деятельности человека, размещения предприятий и организаций всех отраслей народного хозяйства [65,79].

В последние десятилетия ускоренными темпами возрастают антропогенные нагрузки на земельные ресурсы. К наиболее значительным факторам, снижающим продуктивность земель, относятся: высокий уровень распаханности с включением в производство малопроизводительных земель, сведение лесов, экстенсивные формы земледелия, перевыпас скота, техногенные выбросы и т.д. Эти факторы определяют развитие негативных процессов: снижение содержания гумуса, ветровая и водная эрозия, вторичное засоление и осолонцевание почв, загрязнение почв и водоемов нитратами, пестицидами, тяжелыми металлами и т.д. Развитие негативных процессов приводит к разрушению почвенного покрова, снижению его плодородия, загрязнению сельскохозяйственной продукции токсическими веществами.

Для предотвращения отмеченных негативных процессов в использовании земель необходима целенаправленная работа по оценке, сохранению и воспроизводству земельных ресурсов. Особую значимость эти задачи приобретают в период становления рыночных отношений и

проведения земельной реформы. Принятию решению в данной области должен предшествовать анализ разносторонних и регулярно обновляемых данных о состоянии земель и динамике развития негативных процессов. Все это определяет необходимость регионального мониторинга земель (РМЗ), т.е. системы наблюдений за состоянием земельного фонда, своевременного выявления негативных процессов и оценок их последствий [190].

В основе РМЗ лежит преобразование информации, включая её сбор и систематизацию, накопление и хранение в виде совокупности баз данных, обработку и представление её в табличной форме, в виде цифровых карт и электронных атласов. Указанные операции базируются на использовании современных геоинформационных технологий и систем цифрового картографирования. Распределенность объекта наблюдения, разновременный и разномасштабный характер информации, многообразие методов сбора и обработки данных значительных объемов, сложность идентификации наблюдаемых процессов и явлений определяют специфику рассматриваемого класса информационных систем.

Исходя из этого, актуальной является проблема разработки научных основ создания автоматизированной системы регионального мониторинга земель (АСРМЗ), их реализации при проектировании и внедрении систем на конкретных территориальных объектах. Решение данной проблемы позволяет получить совокупность научно-обоснованных технических и технологических решений по созданию и развитию информационных технологий для мониторинга земельных ресурсов регионального уровня.

Объектом диссертационного исследования являются вопросы автоматизации регионального мониторинга земель.

Предметом исследования выступают информационные технологии организации наблюдения за состоянием земель региона, своевременного выявления негативных процессов, оценок их последствий и информационное обеспечение управленческих решений по рациональному использованию земельных ресурсов.

Цель и задачи работы. Основная цель исследований - разработка научных основ создания автоматизированных информационных систем регионального мониторинга земель и их реализация в регионах Сибири.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Провести анализ функций мониторинга земель в рыночном механизме регионального землепользования и определить состав и содержание его функций в системе управления земельными ресурсами региона, связанных с предотвращением деградации почвенного покрова .

2. На основе опыта автоматизированных систем (АСУ "Барнаул", АСУ "Сигма"), теории и практики информатики выделить основополагающие идеи, принципы и организацию создания АСРМЗ с учетом тенденций развития современных геоинформационных технологий и систем телекоммуникаций.

3. Разработать концепцию создания и поэтапного развития АСРМЗ в составе системы управления земельными ресурсами региона, интегрированной в информационное пространство, провести формализацию предметной области регионального мониторинга земель и разработать информационно-логическую модель АСРМЗ как пространственно-распределенную сеть обработки данных на базе типовых проектных решений.

4. Создать совокупность геоинформационных технологий как методической основы и инструментария средств сбора, обработки и отображения данных мониторинга земель;

5. Реализовать элементы АСРМЗ при создании автоматизированной информационной системы управления земельными ресурсами в регионах Западной Сибири.

Методологическая база исследования. Методологической основой исследований являются положения системного подхода и основные направления совершенствования земельных отношений в России. Используются методы декомпозиции больших систем, системного анализа, методы индустриального проектирования автоматизированных систем. В процессе работы были проработаны и использованы труды российских и зарубежных ученых: А.С.Алексеева, В.И.Бивалькевича, И.М.Бобко, Л.М.Бурлаковой, Ю.И.Винокурова, И.П.Герасимова, В.М.Глушкова, Г.Р.Громова, А.П.Ершова, Ю.П.Ехлакова, Ю.А. Израэ-ля, Н.В.Комова, П.Ф.Лойко, М.В.Лычагина, В.Л.Макарова, Дж.Мартина, Г.И.Марчука, Н.Б.Мироносецкого, В.Л.Миронова, Ф.И.Перегудова, Н.Ф.Реймерса. Ф.П.Тарасенко и др.

Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем :

- впервые поставлена и комплексно исследована для условий региона России проблема создания автоматизированной информационной системы регионального мониторинга земель на базе методов индустриального проектирования, современных ГИС-технологий и цифрового картографирования;

- на основе опыта создания систем промышленной информатики, возможностей современных информационных технологий обработки данных и методов их проектирования разработана концепция создания и

поэтапного развития АСРМЗ, как элемента управления земельными ресурсами региона;

- предложены классификации объектов предметной области регионального мониторинга земель и разработаны основные классификаторы . Проведена разработка и апробация комплекса типовых проектных решений автоматизированной системы регионального мониторинга земель ;

- разработаны проекты создания и развития системы регионального мониторинга земель (РМЗ) для Алтайского края, Ханты-Мансийского автономного округа, Республики Алтай, разделы проектов МЗ для Кемеровской области и Красноярского края, которые находятся в стадии их реализации

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертационном исследовании, обеспечивается использованием теории, современных методов и опыта проектирования сложных информационных систем и подтверждается практикой их применения в управлении земельными ресурсами Алтайского края, а также внедрением разработок в Кемеровской области и республике Алтай, Ханты-Мансийском автономном округе и Красноярском крае.

Практическая значимость результатов научных исследований заключается в их направленности на решение важнейших задач организации и совершенствования системы регионального и локального мониторинга земель, создания и внедрения системы информационных технологий в данной предметной области. Результаты диссертационного исследования имеют значение для разработки и внедрения компонент системы информационных технологий на различных уровнях управления земельными ресурсами, проведения научных исследований по

проблемам создания и развития мониторинга земель на региональном и местном уровнях.

Результаты исследований могут служить основой для изучения проблем информационного обеспечения задач управления совокупностью природных ресурсов региона студентами и аспирантами географических и математических факультетов, специализирующихся в области природопользования и геоинформационных технологий.

Реализация результатов работы. Работа выполнялась в соответствии с заданиями Государственной программы мониторинга земель Российской Федерации на 1993-1995 годы, утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 5 февраля 1993 г. N 100, Региональной программе "Сибирь" в соответствии с заданием "Разработка научных основ создания системы управления совокупностью природных ресурсов в регионах Сибири ", РНТП "Алтай-Вуз" и "Алтай-Наука". Отдельные научные разработки, включенные в состав данной работы, выполнены с участием автора в рамках АСУ "Сигма-2" по заданию 03.01 программы 0.80.06, утвержденной Постановлением ГКНТ и Госплана СССР N 491/244 от 8 декабря 1981 года. Эти же разработки переданы в государственный фонд алгоритмов и программ в виде пакетов программ и документации.

Результаты исследований включены в ежегодные аналитические материалы "Состояние земель Алтайского края" (с 1993 по 1997 гг.) и внедрены в Российском и Алтайском институтах мониторинга земель и экосистем, используются в организации научной и учебной работы по кафедре "Геоинформационные технологии" математического факультета Алтайского государственного университета.

Автор выносит на защиту:

1. Состав и содержание функций регионального мониторинга зе-

мель в структуре управления земельными ресурсами региона.

2. Концепцию АСРМЗ как развивающейся информационной системы, выполняющей функцию формирования информационных ресурсов о параметрах негативных процессов состояния земель, оценки направлений и скорости их развития, прогноза состояния в зависимости от используемых почвоохранных технологий.

3. Информационно-логическую модель, структуру АСРМЗ, метод формализации предметной области, реализованный в системе классификаторов объектов регионального мониторинга земель.

4. Совокупность современных геоинформационных технологий мониторинга земель, обеспечивающую автоматизацию сбора и обработки данных полевых исследований, ретроспективного материала и данных дистанционного зондирования, хранения и ведения баз данных, тематической обработки и отображения информации в системе АРМ и в серии электронных карт.

5. Результаты реализации проектных решений АСРМЗ в регионах Западной Сибири.

Апробация работы. По теме диссертационного исследования автором сделаны доклады и сообщения на Всесоюзной научно-технической конференции "Синтез и проектирование многоуровневых систем управления" в 1982 году (Барнаул), научно-практической конференции "Организация взаимодействия человека и ЭВМ в системах управления, проектирования и информатики" в 1987 году (Барнаул), Всесоюзном семинаре "Модели планирования и хозрасчет на предприятии" в 1988 году (Одесса), Всесоюзной научно-практической конференции "Основные направления экономического и социального развития Алтайского края в 13 пятилетке и на период до 2005 г." в 1989 году (Барнаул), региональном совещании "Аэрокосмический мониторинг.

Геоинформационные системы" в 1994 году (Барнаул), научно-технической конференции "Региональные проблемы информатизации" в 1995 году (Барнаул), краевом совещании "Интеграция информационных ресурсов" в 1995 году (Барнаул), международной научно-практической конференции "Проблемы менеджмента на пороге 21 века" в 1996 году (Барнаул), международной конференции "ИНЕРКАРТО-2: ГИС для изучения и картографирования окружающей среды" в 1996 году (Иркутск), республиканской конференции "Региональное природопользование и экологический мониторинг" в 1966 году (Барнаул), международной конференции "ИНТЕРКАРТО-3" ГИС для устойчивого развития" в 1997 году (Новосибирск), республиканской конференции "Информатика и управление" в 1996 году (Кемерово), международной научно-практической конференции "Историческая и современная картография в развитии Алтайского региона" в 1997 году (Барнаул), региональной конференции "Проблемы устойчивого развития Алтайского края в свете учения В.И.Вернадского о биосфере" в 1997 году (Барнаул), региональной конференции "Производство продукции сельского хозяйства в современных условиях: проблемы и решения" в 1998 году (Барнаул) . Кроме того, материалы диссертационного иссл