Геоінформаційні технології оцінки і прогнозу якості ґрунтів на регіональному рівні

Abstract

Голован Ю.М. Геоінформаційні технології оцінки і прогнозу якості ґрунтів на регіональному рівні. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 122 «Комп'ютерні науки» – Інститут телекомунікацій і глобального інформаційного простору Національна академія наук України, Київ, 2023. Дисертаційна робота присвячена розробці та удосконаленню геоінформаційних систем для оцінки та прогнозу еколого- ресурсної якості ґрунтів на регіональному рівнів умовах антропогенного навантаження на геохімічні ландшафти та підвищення ефективності прийняття управлінських рішень. У вступі обґрунтовано актуальність теми, розглянуто зв'язок роботи з науковими темами та актуальними напрямками, сформульовані мета та задачі дослідження, розкрито наукову новизну та практичну цінність. Значну роль приділено дослідженню та впровадженню нових функціях та властивостях інструментальних моделей, які мають локальний та глобальний характер. У першому розділі проведено наукометричний огляд літературних джерел та досліджено особливості розвитку, відновлення та експлуатації ґрунтів на територіях, які порушені антропогенною діяльністю. Охарактеризовано використання геоінформаційних систем під час моніторингу ґрунтів та визначено їх нові функції. Визначено велику кількість інструментальних моделей для вирішення геоінформаційних задач оцінки і прогнозу якості ґрунтів на регіональному рівні. У другому розділі представлено розроблені автором дистанційні методи моніторингу ґрунтового покриву, які спрямовані на забезпечення точного просторового суміщення матеріалів, отримання з них динамічної цільової інформації і потребує вибору відповідної технології обробки даних ґрунтового покриву. Комплексна технологія використання даних ДЗЗ для оцінки еколого-ресурсного стану ґрунтового покриву є системою, що базується на послідовній обробці даних ДЗЗ за допомогою основних функціональних підсистем: введення, збереження, обробка та представлення результатів. Технологія та організація робіт по дешифруванню істотно залежить від його завдань, території, масштабу та характеристики знімків (теплових, фотографічних або сканерних, радіолокаційних та ін.), від використання окремих знімків або їх серій (багатозональних, різночасових). Алгоритм кластеризації, який базується на яскравісних відмінностях поверхні ґрунту за рахунок протікання визначених природних та антропогенних процесів, дозволив виділити ділянки поверхні ґрунтів, які відрізняються від загальної фонової характеристики. Точність розробленого алгоритму векторизації виділених ділянок за даними космічних знімків дозволяє здійснити структуризацію растрових даних, що оброблюються. Одним з важливих етапів роботи алгоритму є диференціація досліджуваної ділянки на два класи: "суша" та "вода". Ймовірність правильного розділення знімку на задані класи знаходиться у межах 60-80%, що є достатнім для вірогідних екологічних оцінок і прогнозів. У результаті виділені основні параметри, які змінюють свої показники у процесі експлуатації інженерної ґрунтозахисної функції, що пов'язану з поглинанням діоксиду вуглецю, затримання пилу та сажі внаслідок проведеного екологічного моніторингу у 2018-2023 роках. За результатами експериментів було обґрунтовано математичну модель зображення, використовуючи бімодальні нормальні закони розподілу. Отриманий алгоритм застосовується для зображень, які отримані в інших спектральних діапазонах для виділення і подальшого аналізу поверхні. Представлення інформації про екологічний стан ґрунтового покриву дослідних ділянок, у такому форматі дає можливість експортувати сформовані контури у ГІС-програми для накладення векторного шару на існуючі картографічні матеріали. Розроблений алгоритм первинного визначення ділянок забруднення на поверхні ґрунтового покриву необхідно застосовувати для виділення та попередньої параметризації аномальних процесів. Важливим аспектом реалізації алгоритму є застосування даних космічної зйомки, які отримуються у реальному режимі часу. Це дозволяє оновлювати інформацію щодо екологічного стану досліджуваних об'єктів та навколишнього середовища і враховувати дані метеорологічного прогнозу. Проведено розрахунок вегетаційних індексів, що надає інформацію про відмінності у стані визрівання окремої культури на окремо взятій земельній ділянці, а також дозволяє оцінити рівень її агробіологічного здоров'я та вологозабезпеченості. Шляхом комплексування спектральних каналів для кожного зі знімків у єдиний файл та проведення їх атмосферної корекції у програмному середовищі ENVI для тест-ділянок. були проведені розрахунки індексів NDVI (Normalized Difference Vegetation Index). Для цього використовувався вбудований інструмент ENVI, що дозволяє здійснювати маніпуляції зі спектральними каналами знімку (Band Math) та відповідна формула для розрахунку NDVI. В результаті для кожного знімку тест-ділянок отримані похідні зображення, що відображають ступені вегетації сільськогосподарських культур. У третьому розділі, на основі моніторингових досліджень та отриманих результатів було розроблено нове інформаційно-технічне супроводження оцінки забруднення ґрунтів. Вдосконалено існуючу методику забезпечення відбору проб ґрунту за допомогою нових інструментальних методів та проведено аналітичні розрахунки ґрунтового покриву досліджуваної території. На основі геоінформаційних технологій створено картографічну модель екологічного стану ґрунтів території дослідження. В наукових дослідженнях представлено ієрархічну модель впливу факторів прояву розвитку ерозійних процесів, на основі побудови матриць множин попарних порівнянь ієрархічного рівня. За допомогою побудованих матриць розраховуємо вектори пріоритетів відповідних рівнянь та оцінюємо вплив факторів на розвиток ерозійних процесів ґрунтового покриву. Проаналізовано та вдосконалено технологію виявлення аномалій екопараметрів ґрунтової поверхні за даними різночасової мультиспектральної зйомки. Відповідно до перерахованих факторів, неоднорідність розподілу теплового поля може бути індикатором об'єктів, процесів і явищ наявних на досліджуваній території. У четвертому розділі розроблено функціональну комплексну модель геоінформаційних систем для оцінки та прогнозу якості ґрунтів. Розроблено стратегія оцінювання стану ґрунтового покриву, що включає: використання суб'єктно-об'єктного підходу; комплексні або інтегральні індикатори; принципах екологічного нормування. Аналіз геопорталів дозволив виявити інформацію про паспортизацію земельних ділянок, метеорологічну обстановку під час сезону і структуру рельєфу місцевості. Побудова рози вітрів дозволяє відстежувати закономірності у головних напрямках розвитку процесів вітрової ерозії ґрунтів. Побудовано моделі рельєфу використовуючи дані цифрової радарної SRTM зйомки та векторний шар ізоліній висот. Для територій тестових ділянок побудовано тріангуляційну модель місцевості (TIN) на основі векторного шару ізоліній, що був створений на основі оцифрування інформації з растрової карти. За допомогою математичного апарату, класифікацій і моделювання удосконалено модель ефективного прийняття рішень для вивчення геоекотехнічних систем за матеріалами ДЗЗ. Розглянуто функціональні можливості ArcGIS для вирішення задач екологічного моніторингу ґрунтів, яка має системний вплив на розробку моделі. Результати роботи впроваджені у діяльність Науково-виробничої впроваджувальної фірми «Геотехнологія» для вдосконалення існуючої геоінформаційної системи та еколого-небезпечних заходів та відновлення порушених ґрунтів. Результати роботи впроваджені у навчальний процес Національного університету «Києво-Могилянська академія», при викладанні дисципліни «Зелена логістика» та при проведенні магістерських та бакалаврських досліджень по спеціальності «Екологія».