Современные компьютерные технологии в науке Системы мониторинга и

Современные компьютерные технологии в науке Системы мониторинга и ГИС-технологии в управлении территориями Проф. Л. Спивак

Основы управления территориями • Практика управления имеет дело с тремя типами сложных динамических систем: технологическими процессами, организациями и территориями. • Автоматизированные системы управления технологическим процессами (АСУТП) • Автоматизированные системы управления предприятиями (АСУП) • Автоматизированные систему управления территориями (АСУТ).

Специфика АСУТ - являются наиболее сложными и относятся к категории открытых систем (жизненный цикл, принципы развития ) АСУТ В пределах территории функционирует множество организаций, каждая из которых преследует свои собственные интересы и выгоды. АСУП , , , АСУП Персонал организаций связан прежде всего, совместной деятельностью (единая корпоративная цель). Для них важна - общая прибыль. Население территорий, связано, прежде АСУ ТП всего, совместным обитанием. Для многих из них важнее качество среды обитания.

Иерархия территорий Страна Область Район/Город ОС и ПР СЭИ Население

Масштаб карт. Цифрове карты территории РФ Масштаб Кол-во листов Оцифровано Устарело для РФ % 1: 1000 176 100 81, 7 1: 500 000 497 100 78, 3 1: 200 000 3571 100 (? ) 69, 1 1 : 100 000 17 046 20 73, 8 1 : 25 000 201 442 5 69, 9 1: 10 000 247 660 Нет 84, 6 (? ) (города) данных Площадь России -17 075, 4 тыс. кв. км

Специфика АСУТ • Цели управления носят декларативный характер: всеобщее благосостояние, устойчивое развитие • Критерии управления должны учитывать экономические, социальные, экологические, политические, нравственные, культурные, исторические и другие факторы. • Разработать такие критерии, которые позволили бы гармонизировать (согласовывать) множество различных противоречивых интересов пока не удается, да и вряд ли в принципе возможно. Что важней: – природные ресурсы, развитая инфраструктура или качество населения? - свобода и равные возможности или безопасность и гарантированный минимум?

Процесс принятия решений по управлению территорией всегда поиск компромисса различных интересов, часто по принципу выбора наименьшего из зол. Теории управления территорией нет. При принятии решений руководители территорий могут опираться только на свой опыт или на советы великих предшественников. Они практически всегда находятся в условиях неопределенности и, как правило, не могут предвидеть не только отдаленных, но и краткосрочных последствий своих решений. В лучшем случае они могут получить информационную поддержку в виде списка рекомендаций с анализом возможных последствий. Возможности использования метода аналогий крайне ограничены. Оценить сходство ситуаций очень сложно. Роль руководителя (ЛПР) чрезвычайно важна. При одних руководителях территории благоденствуют, при других – приходят в упадок. Примеры с моногородами. Примеры новых столиц. Технологические парки. Силиконовая долина. Китай и Сколково Техногенные и природные катастрофы: Арал, Мексиканский залив и Каспийское море

АРХИТЕКТУРА АСУТ • Важную роль в повышении эффективности управления территориями могут и должны сыграть современные IT и ГИС – технологий. В сочетании с методами космического мониторинга и ситуационного управления они позволяют многократно сократить время и повысить качество управленческих решений • Эффективная автоматизированная система управления территорией должна базироваться на «трех китах» : • - системе мониторинга, обеспечивающей оперативный сбор разномасштабной информации, объективно отражающей текущее состояние дел в регионе; • - комплексе математических и геоинформационных моделей, с помощью которых получают научно-обоснованные прогнозы развития территории при различных внешних условиях и управляющих воздействиях; • - интеллектуальных средствах поддержки принятия решений, позволяющих генерировать, анализировать и выбирать наиболее эффективные сценарии управления. • На сегодняшний день основное направление развития АСУТ связано с интеграцией всех трех компонент в рамках специализированных ситуационных центров управления развитием территории (СЦУРТ).

Схема информационных потоков СЦУРТ

• КОМПЕТЕНЦИЯ ОРГАНОВ УПРАВЛЕНИЯ ТЕРРИТОРИЕЙ - определение целей и приоритетов развития территории, включая описание «идеала» или целевого состояния; - выбор критериев оценки текущего уровня развития территории и его «близости» целевому; - выбор управляющих воздействий (из набора предложенных альтернатив) с учетом их ожидаемой эффективности и возможных последствий; - контроль реализации выбранных воздействий и их коррекция при необходимости. • КОМПЕТЕНЦИЯ НАУКИ • - методы и технологии поддержки принятия решений • - информационно-аналитическое обслуживание ЛПР

КОМПЕТЕНЦИИ СЦУРТ • СЦУРТ является важным элементом современной системы управления территориями, призванным обеспечивать поддержку принятия решений. • СЦУРТ предназначен для регулярной повседневной работы по решению текущих задач управления территорией. • СЦУРТ – « интеллектуальная надстройка » над системой мониторинга. Он играет роль «шлюза» между средствами сбора данных и ЛПР, обеспечивая аналитическую обработку потоков информации

ИЕРАРХИЯ ФУННКЦИЙ поддержки принятия решений Органы управления Сценарии воздействия Описание целевого Выработка рекомендаций состояния M*(T) Конечные состояния Прогноз Модели прогноза Ранжированные различия ΔT 1 ΔTj Анализ тенденций ΔTn Распознавание изменений Протоколы Описание наблюдений

Архитектура СЦУРТ • Архитектурно типовой СЦУРТ представляет собой иерархическую систему уровней (этажей), каждый из которых отвечает за реализацию определенных функций Функции, находящиеся на более высоких уровнях иерархии, используют результаты реализации функций, расположенных ниже, при этом вся схема носит итеративный характер. Методы, технологии и инструментальные средства, которые необходимо для реализации этих функций образуют информационно- аналитическое обеспечение (ИАО) СЦУРТ. Создавать ИАО СЦУРТ нужно снизу вверх по схеме < описание – анализ различий – диагноз - прогноз – рекомендации>

Информационно-аналитическое обеспечение СЦУРТ № Функции Методы и инструментальные средства уровня 5 Поддержка принятия Экспертные системы, базы знаний, методы управленческих решений ситуационного управления, теория принятия решений 4 Прогноз возможных Математическое, геоинформационное и направлений развития имитационное моделирование (MATLAB) ситуаций 3 Анализ тенденций и Статистический анализ, анализ временных диагностика причин рядов, регрессионный анализ и др. ( ППП изменений Statistica) 2 Распознавание и Методы пространственного анализа и ранжирование изменений районирования территорий, локальные и интегральные меры сходства 1 Описание территории Методы и программные средства обработки мониторинга и тематического дешифрирования данных (картирование) ДЗЗ, нейронные сети, ГИС ( ARC GIS, Autodesk)

СИСТЕМА МОНИТОРИНГА Система мониторинга территории – комплексная система наблюдений за состоянием территории и регистрации изменений, происходящих под воздействием природных и антропогенных факторов. Система мониторинга выполняет роль информационного фундамента, на котором выстраиваются остальные компоненты. Создание АСУТ нужно начинать с организации мониторинга, а затем постепенно расширять аналитические возможности в направлении прогноза и информационной поддержки органов управления. В первую очередь следует выбирать те задачи, затраты на решение которых меньше, а экономический и социальный эффект больше. В современных условиях к наиболее важным относятся задачи: - мониторинга ЧС природного и техногенного характера; - мониторинга экологического состояния ОС; - контроля использования природных ресурсов территории. Эффективность мониторинга определяется путем сравнения эффективности решения основной задачи при наличии системы мониторинга и без нее

СХЕМА ВЗАИМОСВЯЗИ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА И СЦУРТ Модель Ситуационный «целевого» центр состояния M* Подсистема Органы ГИС-Т аналитической управления Ре авл йст Стратегии уп озд ал яю ви {M(t): t=tнач, …, t 0, …} обработки р е из щ й управления в ац и ия х Режим Территория Подсистема Модель текущего наблюдения формирования наблюдения состояния M( t 0) {Δx, δt, τ} описаний Протоколы Система мониторинга наблюдений

ПОДСИСТЕМА НАБЛЮДЕНИЙ Цель - сбор информации, необходимой для решения всех прикладных задач управления развитием территории в заданном режиме Состав: - комплект целевой аппаратуры - набор инструкций для получения протоколов измерений. - программное обеспечение предобработки данных При проектировании необходимо определить: - атрибутивный аспект - что нужно измерять и с какой точностью; - пространственный аспект - по какой сети (∆х, ∆у); - режим мониторинга - частота (δt) и сезоны (τ), - экономический аспект - сколько это будет стоить. Важно найти разумный компромисс между плотностью сети, частотой, точностью и стоимостью измерений. Обычно наблюдательная сеть самая дорогая и трудоемкая часть, особенно в системах космического мониторинга. Поэтому следует максимально использовать уже имеющиеся средства и сети сбора данных

ШКАЛЫ ИЗМЕРЕНИЙ 1) Шкала наименований A B C D 2) Шкала порядка A B C D A < B < C < D 3) Шкала интервалов A B C D AB > CD AB = BC 4) Абсолютная шкала 0 A B C D

ПОДСИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ОПИСАНИЙ Цели описания: - классификация и распознавание объектов; - выявление и ранжирование изменений; - прогноз развития. При описании различают статические компоненты или состояния {S} и динамические компоненты или процессы {P}. Два способа описания территорий: 1) В декларативной форме, т. е. в виде последовательности состояний (фотографий), отвечающих определенным моментам времени S(t 1) -> S(t 2) -> … S(tn) -> … Эта форма представления используется в системах мониторинга для выявления различий между состояниями. 2) В процедурной форме, т. е. в виде композиции состояний и процессов S(t 0) -> {Pj} -> S(tk). Эта форма характерна для математического моделирования и используется, в частности, при решении прогнозных задач.

ОПИСАНИЕ СОСТОЯНИЯ ТЕРРИТОРИИ Текущее состояние территории описывается пространственным расположением и атрибутами объектов мониторинга М(Т) = М(О, С, R) О – объекты (классы объектов); С – свойства (пространственные характеристики и атрибуты, принимающие значения). R – отношения между объектами:

ТИПЫ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ - статические - форма и положение в пространстве неизменны; - стационарные- неподвижные, но способные изменять форму; - мобильные - меняющие положение, но сохраняющие форму; - динамические - изменяющие форму и положение в пространстве. Базовые формы точка, линия и замкнутый контур (полигон). Способы описания формы : Векторная (ГИС) - множество координат точек границы объекта Растровая (космоснимки) - аппроксимация ячейками сети

Атрибуты – инвариантные, относительно пространственного расположения, свойства объектов (цвет, фактура, текстура и пр. ). - используются для распознавания и идентификации объектов, выявления изменений и т. п. Делятся на: - прямые и косвенные (точно, но дорого, или грубо, но дешево); - интегральные и дифференциальные; - постоянные (значения – константы) и переменные

ОТНОШЕНИЯ МЕЖДУ ОБЪЕКТАМИ Семантические вид отношений: - структурные, например, «часть-целое» , «род-вид» и т. п. ; - позиционные (пространственные), например, отношение "соседства", "вложенности" и др; - ассоциативные, фиксирующие ситуационные взаимодействия объектов. Структурные типы отношений: 1: 1; 1: М; М: М • Примеры: • Область – Областной центр; • Область (включать) район; • Область (граничить) область

ОПИСАНИЕ СОСТОЯНИЯ ТЕРРИТОРИЙ В ГИС • В настоящее время наиболее эффективные решения по организации описаний территорий базируются на использовании геоинформационных систем (ГИС). Современные ГИС являются чрезвычайно мощным и очень удобным инструментом создания и актуализации описаний пространственно привязанных данных сложной структуры • В ГИС описания территории представляются в картографическом виде. При этом процедуру построения такого описания принято называть картированием. На результирующих картах собственно территории мониторинга соответствует топографическая основа карты, с нанесенной на нее границей, а объектам – тематические слои, представленные в легенде карты. Такие карты в дальнейшем будем называть объектной картой территории (ОКТ). Объектная карта территории, отвечающая моменту времени t – ОКТ (t ). Масштаб ОКТ зависит от пространственных размеров территории и объектов мониторинга

Для построения ОКТ могут быть использованы как космические снимки, так и данные наземных наблюдений. Процедура построения ОКТ на основе космических снимков называется тематическим дешифрированием. А С В А - исходный космический снимок (RGB-синтез), В – объектная карта, С – легенда (классификатор объектов)

Содержательная нагрузка ОКТ (t) • ОКТ (t) отображает множество следующих фактов и утверждений, имеющих место в данный момент времени t : 1) В пределах территории имеются объекты разных классов, перечень которых определяется классификатором (легендой) A={Ai : i=1, …, k}; 2) Индивидуальный объект aij принадлежит классу Ai aij € Ai : j=1, …, kn; 3) Границы индивидуального объекта aij задаются вектором координат Xm aij(Xm) = aij (x 1, …, xm); 4) Значение интегрального свойства s объекта aij равно q q=s [aij]; 5) Значение дифференциального свойства g объекта aij в точке xw равно q q=g [aij (xw)]; 6) Классы объектов A 1 и A 2 связаны отношением R R (A 1 , A 2) ={r(a 11, a 21); … ; r(a 1 k 1, a 2 k 2)}.

ГИС- ТЕРРИТОРИИ • БД ГИС- территории представляет собой временной ряд ОКТ (совокупность картографических и атрибутивных данных), описывающих состояния территории, начиная с некоторого стартового момента t 0. • Для своевременной регистрации изменений эта информация должна постоянно обновляться с определенным временным шагом t. • Таким образом, содержание ГИС- схематично можно представить в виде {ОКТ (t 0), ОКТ (t 0 + t), … ОКТ (t n - t), ОКТ (t n), … } • Обновление и актуализация ГИС осуществляется на основе данных мониторинга.