ОБГРУНТУВАННЯ КОМПЛЕКСНОЇ ОЦІНКИ ЕКОЛОГІЧНОГО СТАНУ ВОДОЙМ НА ОСНОВІ КОСМІЧНОЇ ІНФОРМАЦІЇ ДЗЗ і НАЗЕМНИХ СПОСТЕРЕЖЕНЬ НА ПРИКЛАДІ ОЗЕРА СВІТЯЗЬ

Краткое описание

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОЛОГІЧНИХ НАУК

ДЕРЖАВНА УСТАНОВА

НАУКОВИЙ ЦЕНТР АЕРОКОСМІЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ ЗЕМЛІ

На правах рукопису

ПІДГОРОДЕЦЬКА ЛЮДМИЛА ВОЛОДИМИРІВНА

.3

 

05.07.12 – Дистанційні аерокосмічні дослідження

Дисертація

на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Науковий керівник:

д.ф.–м.н.,член–кореспондент НАН України, професор Федоровський Олександр Дмитрович

ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ. 4

ВСТУП.. 5

РОЗДІЛ 1. Основні передумови застосування космічної інформації ДЗЗ для комплексної оцінки екологічного стану водойм.. 13

1.1. Огляд  становлення та розвитку досліджень екологічного стану       водойм.. 13

1.2. Застосування інформації космічного геомоніторингу для оцінки екологічного стану водойм.. 20

1.3. Концепція отримання та використання даних космічного геомоніторингу для оцінки екологічного стану водойм.. 23

1.4. Моніторинг екологічного стану водойм.. 29

РОЗДІЛ 2. Методи комплексної оцінки екологічного стану водойм на основі космічної інформації ДЗЗ і наземних спостережень. 33

2.1. Метод аналізу ієрархій. 33

2.1.1. Загальні підходи комплексного оцінювання. 33

2.1.2. Основні етапи МАІ 40

2.2. Основні етапи обробки супутникових даних. 43

2.3. Короткі відомості про застосовувані методи фрактального аналізу. 47

2.3.1. Однорідні фрактали. 47

2.3.2. Неоднорідні фрактали, мультифрактали. 51

2.3.3. Узагальнені фрактальні розмірності 54

2.3.4. Огляд та обгрунтування застосування методів фрактального аналізу для характеристик стану біоти. 59

2.4. Метод системної динаміки – адаптивного балансу впливів. 64

РОЗДІЛ 3. Дослідження інформативних складових і критеріїв оцінок екологічного стану водойм за даними дистанційного і наземного моніторингу оз. Світязь. 73

3.1. Основні складові оцінки екологічного стану оз. Світязь. 73

3.2. Інформативні показники та критерії оцінки екологічного стану водойми для наземного і дистанційного моніторингу. 74

3.3. Вибір і дешифрування космічних знімків ДЗЗ для оцінки структури розподілу ПТК оз. Світязь. 77

3.4. Створення просторово-розподіленої моделі структури ПТК оз. Cвітязь. 93

РОЗДІЛ 4. Комплексна оцінка екологічного стану водойм на основі космічної інформації ДЗЗ і наземних спостережень на прикладі оз. Світязь. 97

4.1. Дослідження та оцінка динаміки структури ПТК оз.Світязь засобами фрактального аналізу на основі космічних знімків. 97

4.2. Експертне оцінювання динаміки екологічних факторів внутрішніх водойм.. 103

4.2.1. Фактори і критерії оцінок екологічного стану оз. Світязь. 103

4.2.2. Формування ієрархічної моделі оцінки екологічного стану                  оз. Світязь. 104

4.2.3. Експертне попарне порівняння елементів рівнів. 107

4.2.4. Обчислення локальних і глобальних пріоритетів оцінки екологічного стану оз. Світязь по роках. 110

4.3. Порівняльний аналіз оцінок екологічного стану водойми за інформацією ДЗЗ з космосу та наземними спостереженнями. 113

4.4. Моделювання прогнозної оцінки змін екологічного стану оз. Світязь. 1171.    Аналіз предметної області – екології внутрішніх водойм, як складної багатомірної багаторівневої системи, слабоформалізованого об’єкту, показав необхідність врахування великої кількості факторів впливу, відсутність формалізованих моделей, багатокритеріальність розв’язуваних задач. На основі огляду сучасних методів і алгоритмів кількісного аналізу біогеоценозів обрано адекватні розрахункові методи вивчення водних екосистем з урахуванням космічної інформації ДЗЗ і наземних спостережень.

2.    Визначено низку інформативних ознак ПТК водної екосистеми, що надійно дешифруються за космічними знімками. Здійснено комп’ютерну обробку космічних знімків озера, що дозволило виокремити  сім типів природно-територіальних комплексів і сформувати карти розподілу ПТК оз. Світязь по роках спостережень.

3.                Для проведення експертної оцінки екологічного стану оз. Світязь було застосовано екосистемний підхід. Водойма (об'єкт досліджень) розглядалася як екосистема, в якій фізичні, хімічні та біологічні процеси найтіснішим чином  взаємозалежні. Застосування методу аналізу ієрархій дозволило побудувати системну ієрархічну модель оцінки екологічного стану та здійснити експертну оцінку екологічного стану озера Світязь протягом 1988-2009 рр.

4.    За картами розподілу ПТК, отриманими безпосередньо за космічними знімками озера, визначено відносні площі ПТК оз. Світязь та здійснено опис структури розподілу ПТК водойми методами фрактального аналізу по роках спостережень. Таким чином, стан біоти за кожний рік дослідження охарактеризований мультифрактальними розмірностями D_q.

5.                Встановлено кореляційний зв’язок експертних оцінок екологічного стану водойм з мультифрактальними розмірностями D(q<0), отриманими на основі космічної інформації ДЗЗ, що доводить можливість проведення  експрес-діагностик екологічного стану водойм за змінами розподілів відносних площ ПТК.

6.     Обґрунтовано застосування методу адаптивного балансу впливів, здійснено моделювання і прогноз динаміки екологічного стану озера Світязь при зміні рекреаційного навантаження.

Подальшою перспективою запропонованого у роботі методичного інструментарію комплексної оцінки екологічного стану водойм на основі даних ДЗЗ і наземних спостережень є застосування у дослідженнях водних екосистем  проточного типу, зокрема, їх гирлових зон.

1.              Воронин А. Н. Методика многокритериальной оценки эффективности научных космических проектов / А. Н. Воронин, Л. Н. Колос, Подгородецкая Л. В. // Проблемы управления и информатики. – 2004. – № 5. – С. 46–56.

2.              Воронин А.Н. Комплексная методика многокритериальной оценки эффективности научных космических проектов / А. Н. Воронин, Л. Н. Колос, Л. В.  Подгородецкая // Проблеми інформатизації та управління. –2004. – № 10. – С. 92–99.

3.              Губарев В.Ф. Структурная целевая модель космической деятельности в Украине / В.Ф. Губарев, Л.И. Самойленко, Т.В. Ильенко, Л.В. Подгородецкая, Л.Н. Колос, М.А. Кирносова // Космічна наука і технологія. – 2005. – Т. 11. – №3–4. –  С. 103–111.

4.              Самойленко Л. И. Разработка методологии оценки сценариев в задачах планирования космической деятельности. Часть 1 / Л. И. Самойленко, Л. М. Яковлева, Т. В. Ильенко, Л. В. Подгородецкая, Л. Н. Колос // Проблемы управления и информатики. – 2005. – № 5. – С. 145–156.

5.              Самойленко Л. И. Разработка методологии оценки сценариев в задачах планирования космической деятельности. Часть 2 / Л. И. Самойленко, Л. М. Яковлева, Т. В. Ильенко, Л. В. Подгородецкая, Л. Н. Колос // Проблемы управления и информатики. – 2005. – № 6. – С. 127–134.

6.              Самойленко Л. И. Системная информационная модель получения и использования космической информации ДЗЗ / Л. И. Самойленко, С. А. Баулин, Т. В. Ильенко, М. А. Кирносова, Л. Н. Колос, Л. В. Подгородецкая // Проблемы управления и информатики. – 2008. – № 6. – С. 89–98.

7.              Підгородецька Л.В. Використання інформації космічного геомоніторингу для оцінки екологічного стану водойм на прикладі озера Світязь / Л. В. Підгородецька, Л. М. Зуб, О. Д. Федоровський // Космічна наука і технологія. – 2010. – Т.16 – № 4. – С.51–56.

8.              Артюшенко М.В. Фрактальный анализ спектрограмм растительного покрова в задачах природопользования / М. В. Артюшенко, Л. В. Подгородецкая, А. Д. Федоровский // Доповіді Національної академії наук України. – 2010. – № 8.– С.113–119.

9.              Артюшенко М.В. Мультифрактальный анализ биоразнообразия и ценотической структуры сообщества растений по данным дистанционного зондирования  / М. В. Артюшенко, Л. Н. Зуб, Л. В. Подгородецкая, А. Д. Федоровский // Доповіді Національної академії наук України. – 2011. – № 9. – С.132–141.

10.          Спосіб дешифрування оптичних аномалій на аерокосмічних знімках [Текст] : ПАТЕНТ 95679 / Федоровський О. Д., Якимчук В. Г.,         Тімченко І. Є., Підгородецька  Л. В. ; власник патенту ДУ "Науковий центр аерокосмічних досліджень Землі Інституту геологічних наук НАН України". — № а 2009 11554 ; заявл. 13.11.09 ; опубл. 25.08.11, Бюл. № 16 — 1 с.

11.          Артюшенко М. В. Экономико–математические модели анализа эффективности применения методов ДЗЗ / М. В. Артюшенко, Л. В. Підгородецька, Л. М. Колос // “Можливості сучасних ГІС/ДЗЗ– технологій у сприянні вирішення проблем Черкащини”, 29-30 червня 2006 р. : матеріали регіональної наради. –  Черкаси: ДНВЦ “Природа” НКАУ та Мінприроди. – 2006. – С. 40

12.          Артюшенко М.В. Фрактальный анализ спектров отражения растительности при гиперспектральном дистанционном зондировании  / М. В. Артюшенко, О. В. Никитенко, Л. В. Подгородецкая // “Автоматика–2009” : ХVІ міжнар. конф. з автоматичного управління, 22-25 вересня 2009 р. : тези доп. – Чернівці: Книги–XXI.  – 2009. – С.356–358.

13.          Підгородецька Л.В. Оцінка динаміки заростання макрофітами водойм на основі космічної інформації ДЗЗ і наземних спостережень (на прикладі озера Світязь) / Л. В. Підгородецька, Л. М. Зуб, О. Д. Федоровський // “Аерокосмічні спостереження в інтересах сталого розвитку та безпеки GEO-UA-2010” : Друга всеукр. конф. з запрошенням закордонних учасників , Київ, 14-17 черв. 2010 р. : тези  доп. – К.: Освіта України.  – 2010. – С. 110–111.

14.          Підгородецька Л. В. Використання супутникової інформації для оцінки екологічного стану водойм на прикладі озера Світязь / Л. В. Підгородецька, Л. М. Зуб, О. Д. Федоровський // 10-а українська конференція з космічних досліджень , Євпаторія, 30 серп. - 3 вер. 2010 р. : тези  доп. – К.: ІКД НАНУ-НКАУ. – 2010. – С. 47.

15.          Подгородецкая Л. В. Исследования экологии внутренних водоемов по структуре фитоценозов, наблюдаемых с КА ДЗЗ / Л. В. Подгородецкая, М. В. Артюшенко,   А. Д. Федоровский // 11-а українська конференція з космічних досліджень, Євпаторія, 29 серп. - 2 вер. 2011 р. : тези  доп. – К.: ІКД НАНУ-НКАУ. – 2011. – С.76.

16.          Хатчинсон Д. Лимнология. Географические, физические и химические характеристики озер / Д. Э. Хатчинсон; пер. с англ. – М.: Прогресс, 1969. – С. 591.

17.          MacArthur R.H. Geographical ecology: Patterns in the distribution of species. – N. Y. : Harper and Row,  1972. – XVIII, 269 p.

18.          MacArthur R.H., Wilson E.O. The Theory of Island Biogeography. – Princeton, N. J. : Princeton Univ. Press, 1967. –  203 p.; 2-е изд. – Princeton Univ. Press, 2001. –  203 p.

19.          Одум Ю.  Экология: в 2 т. / Юджин Одум; пер. с англ. – М.: Мир, 1986. Т. 1. – 328 с.; Т. 2. – 376 с.

Розенберг, Т. Д.  Зинченко – Тольятти: ИЭВБ РАН, 2003. – 463 с.

21.          Мордухай-Болтовской Ф. Д.  Особенности программы и методики биогеоценотических исследований внутренних водоемов / Ф. Д.  Мордухай-Болтовской // Программа и методика биогеоценотических исследований. – М.: Наука, 1974. – 76 с.

22.           Мордухай-Болтовской Ф. Д.  Методика изучения биогеоценозов внутренних водоемов / Ф. Д.  Мордухай-Болтовской – М.: Наука, 1975. – 240 с.

23.          Экологическая  оценка.  Пособие  для  преподавателей (UNEP Environmental Impact Assessment Training  Resource Manual) / Программа ООН по окружающей среде (UNEP); пер. с англ. РОО "Эколайн" и Центра подготовки  и  реализации  инвестиционных  проектов (ЦПРП) [Електронний ресурс] – http://cci.glasnet.ru/mc/books/eiamanual/index.html 

24.          Таунсенд  К. Проектирование  и  программная  реализация   экспертных  систем  на  персональных ЭВМ / К. Таунсенд, Д. Фохт. – М.: Финансы и статистика, 1990. – 346 с.

25.          Загальнодержавна програма розвитку водного господарства (затверджена Законом України №2988-111 від 17.01.2002) / Відомості Верховної Ради України. – 2002. – № 25. – с.172.

26.           Інформатизація аерокосмічного землезнавства / [ред. С.О. Довгий, В.І. Лялько]. – К.: Наукова думка, 2001. – 606 с.

27.          Трифонова Т.А. Геоинформационые системы и дистанционное зондирование в экологических исследованиях / Трифонова Т.А., Мищенко Н.В., Краснощеков А.Н. – М.: Академ.проект, 2005. – 349 с.

28.          Информационные технологии и информационные ресурсы космического экологического мониторинга  [Електронний ресурс]  / – М. : Российский фонд фундаментальных исследований. – Режим доступу :  http://w3.rfbr.ru/default.asp?doc_id=5167.

29.          Саати Т. Аналитическое планирование. Организация систем / Томас Саати, Кевин Кернс ; пер. с англ. Р. Г. Вачнадзе. — М. : Радио и связь, 1991. — 224 с.

30.          Тоценко В. Г. Методы и системы поддержки принятия решений. Алгоритмический аспект / Тоценко В. Г. — К. : Наукова думка, 2002. — 382 с.

31.          Федоровский А. Д. Системный подход к оценке эффективности аппаратурных комплексов дистанционного зондирования Земли / А. Д. Федоровский, Л. Ф. Даргейко,  В. П. Зубков, В. Г. Якимчук // Космічна наука і технологія. – 2001. – №5-6. – С.75-79.

32.           Лялько В. И. Состояние и перспективы развития аэрокосмических исследований в Украине / В. И. Лялько // Космічна наука і технологія. – 2002. – № 1. – С. 7-14.

33.           Волошин В.И. Принципы построения и функционирования системы космического геоинформационного обеспечения / В. И. Волошин, Е. И. Бушуев, В. Т. Марченко, О. П. Федоров // Космічна наука і технологія. – 2004. – № 5-6. – С. 184-187.

34.          Global Earth Observation System of Systems (GEOSS) // 10-Year implementation plan reference document. – Netherlands, Noordwijk : ESA Publication Division, 2005. – p. 209.

35.          Постанова Кабінету Міністрів України №391 “Про затвердження Положення про державну систему моніторингу довкілля” від 30.03.1998 [Електронний ресурс] – http://zakon1.rada.gov.ua/laws/show/391-98-%D0%BF.

36.           Многокритериальные методы принятия решений / [С. В. Емельянов, О. И. Ларичев]. — М. : Знание, 1985. — 32 с. — (Серия  «Математика, кибернетика»: № 10).

37.           Кини Р. Л. Принятие решений при многих критериях: предпочтения и замещения / Р. Л. Кини, Х. Райфа ; пер. с англ. В. В. Подиновский, М. Г. Гафт, В. С. Бабинцев. —  М. : Радио и связь, 1981. —  560 с.

38.           Миллер Дж. А. Магическое число семь плюс или минус два / Джордж А. Миллер; под ред. Д. Ю. Панова и В. П. Зинченко // Инженерная психология. – М.: Прогресс, 1964. – С.564-581.

39.           Roy B.  Multicriteria Methodology for Decision Aiding / Bernard Roy. –Dordrecht: Kluwer Academic Publisher, 1996. – 292 p.

40.          Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы / Бенуа Мандельброт. – М.: Ин-т компьютерных исследований, 2002. – 656 с., ISBN 5-93972-108-7.

41.           Александров П. С. Введение в теорию размерности / П. С. Александров, Б. А. Пасынков. – М.: Наука, 1973. – 576 с.

42.           Федер Е. Фракталы : пер. с англ. / Е. Федер. – М.: Мир, 1991. – 254 с.

43.           Шредер М. Фракталы, хаос, степенные законы / Манфред Роберт Шредер. – Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. – 528 с., ISBN 5-93972-041-2.

44.          Ponds J. A. Ecology: Clouded futures  / J. Alan Pounds,  Robert Puschendorf  //  Nature. – 2004.  –V. 427. – P. 107-109.

45.           Гелашвили Д.Б. Степенной закон и принцип самоподобия в описании видовой структуры сообщества / Д. Б. Гелашвили,  Д. И. Иудин, Г. С. Розенберг и др. // Тольятти: Поволжский экологический журнал. – 2004.– №3. – С. 227-245.

46.          Маргалеф Р. Облик биосферы / Рамон Маргалеф.  – М.: Наука, 1992. – 254 с.

47.          Seuront L. Fractals and Multifractals in Ecology and Aquatic Science / Laurent Seuront. – Boca Raton (Fla): CRC Press, 2010. – 344 p.

48.           Иудин Д.И. Мультифрактальный анализ структуры биотических сообществ / Д. И. Иудин, Д. Б. Гелашвили, Г. С.  Розенėберг // Докл. Академии наук РФ (ДАН). – 2003. – Т. 389, №2. – С. 279-282.

49.          Yakimov V.N. Multifractal diversity-area relationship at small scales in dune slack plant communities /  V. N. Yakimov, B. Bossuyt, D. I. Iudin, D. B.  Gelashvilly // Oikos. – 2008. –  V. 117. – P. 33-39.

50.           Гелашвили Д.Б. Степенной характер накопления видового богатства как проявление фрактальной структуры биоценоза / Д. Б. Гелашвили, Д. И. Иудин, Г. С. Розенберг,  В. Н. Якимов // Журнал общей биологии. – 2007.– Т. 68, № 3. – С. 170-179.

51.          Forrester J.W. Industrial Dynamics / Jay Wright Forrester. – Cambridge MA, Productivity Press, 1961.

52.           Форрестер Дж. Мировая динамика. / Форрестер Дж. – М.:Наука, 1978. – 167 с.

53.           Тимченко И. Е. Системный менеджмент и АВС–технологии устойчивого развития / Тимченко И. Е., Игумнова Е. М., Тимченко И. И. – Севастополь: Экоси–гидрофизика,  2000. – 225 с.

54.           Тимченко И. И. Образование и устойчивое развитие. Системная методология / Тимченко И. И. Игумнова Е. М. Тимченко И.Е. – Севастополь: Экоси–гидрофизика,  2004. – 527 с.

55.          Карпова Г. А.  Современное состояние макрофитов оз. Свитязь (Шацкие озера, Украина) в условиях наростающей рекреационной нагрузки / Г. А. Карпова, Л. Н.   Зуб // Озерные экосистемы: биологические процессы, антропогенная трансформация, качество воды: мат. конф. – Минск, Нарыч, 2003. – С. 270-273.

56.          Зуб Л. М. Рідкісні види водяних рослин та умови їх збереження у Шацькому національному природному парку / Л. М. Зуб, Г. О.  Карпова // Шацький національний парк (Наукові дослідження 1994-2004 рр.). – Світязь, 2004. – С. 70-71.

57.          Карпова Г.О. Загроза збереженню різноманіття водяної флори Шацьких озер в умовах сучасного антропогенного навантаження / Г. О.  Карпова,  Л.М. Зуб // Шацький національний парк (Наукові дослідження 1994-2004 рр.). – Світязь, 2004. – С. 71-72/

58.          Карпова Г.О. Негативна трансформація макрофітної рослинності озера Світязь в умовах посилення рекреаційного навантаження / Г. О.  Карпова,  Л.М. Зуб // Озера та штучні водойми України: сучасний стан й антропогенні зміни (Мат. 1 міжнарод наук.-практ. конф.). – Луцьк: Вежа, 2008. – С. 312-316.

59.          Озеро Світязь : сучасний природно-господарський стан та проблеми/    [С. П. Бондарчук, В. О. Волянський, В. А. Голян та ін.] ; ред. Я. О. Мольчак. – Луцьк: РВВ ЛДТУ, 2008. – 336 с.

60.          Тутубалина О., Шипигина Е.  Методика компьютерной классификации по нескольким космическим снимкам [Електронний ресурс] // Дата+ Arcreview. – Вып. № 4(31) – 2004. – Режим доступу :  http://www.dataplus.ru/arcrev/Number_31/10_class.htm.

61.          Rouse J.W. Monitoring Vegetation Systems in the Great Plains with ERTS / J.W. Rouse, R.H. Haas, J.A. Schell, D.W. Deering. Third ERTS Symposium, 1973. – NASA SP-351:I.–  p. 309-317.

62.           Tucker C.J. Red and Photographic Infrared Linear Combinations for Monitoring Vegetation. Remote Sensing of the Environment. – No. 8. – 1979. – p. 127-150.

63.          Chavez P. S.  Jr.  Image-based atmospheric corrections – revisited and revised. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing. – No.62(9). – 1996. –       p. 1025-1036.

64.          Chander G. Revised Landsat-5 TM Radiometric Calibration procedures and Postcalibration Dynamic Ranges / Chander G.,  Markham B.  // IEEE Transactions On Geoscience and Remote Sensing. – Vol. 41. – No.11. – 2003. – p. 2674-2677.

65.           Landsat Science Data Users Handbook. Data Products [Електронний ресурс]  / Режим доступу: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/

66.           Кашкин В.Б. Дистанционное зондирование Земли из космоса / Кашкин В.Б., Сухинин А.И. // Цифровая обработка изображений. – М.: Логос, 2001. – 264 с.

67.          Комплексная экологическая классификация качества поверхностных вод суши / [Оксиюк О.П., Жукинский В.Н., Брагинский Л.П. и др.] // Гидробиологический журнал. – 1993. – Т. 29. – № 4. – С. 62-77.

68.          Вентцель Е.С. Теория вероятностей / Вентцель Е.С. – M: Наука, 1969. – 576 с.

69.          Колмогоров А.Н. Интерполирование и экстраполирование стационарных случайных последовательностей / Колмогоров А.Н. // Изв. АН СССР. Серия матем. – 1941. – №5. – С. 3-11.

70.          Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов / Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. – М.: Наука, 1986.  – 544 с.