Системне моделювання і прогноз стану довкілля міста Києва на основі статистичних даних космічного геомоніторингу і наземних спостережень

Обґрунтовано можливість використання моделі системної динаміки розвитку міста Форрестера-Грехема для оцінки стану довкілля міста Києва. Розроблено модифіковану імітаційну модель, яка включає в себе можливості асиміляції космічної інформації дистанційного зондування Землі та відображає динаміку змін...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2014
Main Authors:	Соколовська, А.В., Нікітенко, О.В., Федоровський, О.Д.
Format:	Article
Language:	Ukrainian
Published:	Навчально-науковий комплекс "Інститут прикладного системного аналізу" НТУУ "КПІ" МОН та НАН України 2014
Series:	Системні дослідження та інформаційні технології
Subjects:	Прогресивні інформаційні технології, високопродуктивні комп’ютерні системи
Online Access:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/86112
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Системне моделювання і прогноз стану довкілля міста Києва на основі статистичних даних космічного геомоніторингу і наземних спостережень / А.В. Соколовська, О.В. Нікітенко, О.Д. Федоровський // Системні дослідження та інформаційні технології. — 2014. — № 4. — С. 60-68. — Бібліогр.: 15 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-86112
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-861122015-09-09T03:01:56Z Системне моделювання і прогноз стану довкілля міста Києва на основі статистичних даних космічного геомоніторингу і наземних спостережень Соколовська, А.В. Нікітенко, О.В. Федоровський, О.Д. Прогресивні інформаційні технології, високопродуктивні комп’ютерні системи Обґрунтовано можливість використання моделі системної динаміки розвитку міста Форрестера-Грехема для оцінки стану довкілля міста Києва. Розроблено модифіковану імітаційну модель, яка включає в себе можливості асиміляції космічної інформації дистанційного зондування Землі та відображає динаміку змін структури складових урболандшафта та деяких еколого-соціальних факторів, а саме: території під житловою забудовою, дороги, загальну площу рослинного покриву, пустирі та будівельні майданчики, чисельність промисловоторгівельних підприємств, емісію парникових газів, площу водного дзеркала, щільність забудови, чисельність населення. На її основі було визначено інтегральну оцінку екологічного стану міста Києва за період з 1994 по 2013 рік та дано прогноз до 2025 року. Отриману модель можна використовувати як наукову основу під час обґрунтування й формування методик для комплексного оцінювання стану довкілля міських територій з використанням космічної інформації дистанційного зондування Землі. Обоснована возможность использования модели системной динамики развития города Форрестера-Грехема для оценки состояния окружающей среды города Киева. Разработана модифицированная имитационная модель, которая включает в себя возможности ассимиляции космической информации ДЗЗ и отображает динамику изменений структуры составляющих урболандшафта и некоторых эколого-социальных факторов, а именно: территории под жилой застройкой, дороги, общую площадь растительного покрова, пустыри и строительные площадки, численность промышленно-торговых предприятий, эмиссию парниковых газов, площадь водного зеркала, плотность застройки, численность населения. На ее основе была определена интегральная оценка экологического состояния города Киева за период с 1994 по 2013 г. и дан прогноз до 2025 года. Полученная модель может быть использована как научная основа при обосновании и формировании методик для комплексной оценки состояния окружающей среды городских территорий с использованием космической информации дистанционного зондирования Земли. It was shown that the Forrester-Graham urban dynamics model could be used to evaluate the environment of the city of Kiev. The modified simulation model was developed which included the ability to incorporate the Earth remote sensing information and displayed the change dynamics of the urban landscape structure and some eco-social factors, namely: residential buildings areas, roads, the total area of vegetation, unused land and construction sites, the number of industrial and commercial enterprises, greenhouse gases emissions, the area covered with water, the building density, population. Based on this model, the integrated evaluation was made of the environment of the city of Kiev during 1994 – 2013 and the forecast until 2025 was given. The model can be used as a scientific basis for substantiation and formation of techniques for complex environmental assessment of urban areas using the Earth remote sensing information. 2014 Article Системне моделювання і прогноз стану довкілля міста Києва на основі статистичних даних космічного геомоніторингу і наземних спостережень / А.В. Соколовська, О.В. Нікітенко, О.Д. Федоровський // Системні дослідження та інформаційні технології. — 2014. — № 4. — С. 60-68. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. 1681–6048 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/86112 004.942+504.06:528.88 uk Системні дослідження та інформаційні технології Навчально-науковий комплекс "Інститут прикладного системного аналізу" НТУУ "КПІ" МОН та НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Прогресивні інформаційні технології, високопродуктивні комп’ютерні системи Прогресивні інформаційні технології, високопродуктивні комп’ютерні системи
spellingShingle	Прогресивні інформаційні технології, високопродуктивні комп’ютерні системи Прогресивні інформаційні технології, високопродуктивні комп’ютерні системи Соколовська, А.В. Нікітенко, О.В. Федоровський, О.Д. Системне моделювання і прогноз стану довкілля міста Києва на основі статистичних даних космічного геомоніторингу і наземних спостережень Системні дослідження та інформаційні технології
description	Обґрунтовано можливість використання моделі системної динаміки розвитку міста Форрестера-Грехема для оцінки стану довкілля міста Києва. Розроблено модифіковану імітаційну модель, яка включає в себе можливості асиміляції космічної інформації дистанційного зондування Землі та відображає динаміку змін структури складових урболандшафта та деяких еколого-соціальних факторів, а саме: території під житловою забудовою, дороги, загальну площу рослинного покриву, пустирі та будівельні майданчики, чисельність промисловоторгівельних підприємств, емісію парникових газів, площу водного дзеркала, щільність забудови, чисельність населення. На її основі було визначено інтегральну оцінку екологічного стану міста Києва за період з 1994 по 2013 рік та дано прогноз до 2025 року. Отриману модель можна використовувати як наукову основу під час обґрунтування й формування методик для комплексного оцінювання стану довкілля міських територій з використанням космічної інформації дистанційного зондування Землі.
format	Article
author	Соколовська, А.В. Нікітенко, О.В. Федоровський, О.Д.
author_facet	Соколовська, А.В. Нікітенко, О.В. Федоровський, О.Д.
author_sort	Соколовська, А.В.
title	Системне моделювання і прогноз стану довкілля міста Києва на основі статистичних даних космічного геомоніторингу і наземних спостережень
title_short	Системне моделювання і прогноз стану довкілля міста Києва на основі статистичних даних космічного геомоніторингу і наземних спостережень
title_full	Системне моделювання і прогноз стану довкілля міста Києва на основі статистичних даних космічного геомоніторингу і наземних спостережень
title_fullStr	Системне моделювання і прогноз стану довкілля міста Києва на основі статистичних даних космічного геомоніторингу і наземних спостережень
title_full_unstemmed	Системне моделювання і прогноз стану довкілля міста Києва на основі статистичних даних космічного геомоніторингу і наземних спостережень
title_sort	системне моделювання і прогноз стану довкілля міста києва на основі статистичних даних космічного геомоніторингу і наземних спостережень
publisher	Навчально-науковий комплекс "Інститут прикладного системного аналізу" НТУУ "КПІ" МОН та НАН України
publishDate	2014
topic_facet	Прогресивні інформаційні технології, високопродуктивні комп’ютерні системи
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/86112
citation_txt	Системне моделювання і прогноз стану довкілля міста Києва на основі статистичних даних космічного геомоніторингу і наземних спостережень / А.В. Соколовська, О.В. Нікітенко, О.Д. Федоровський // Системні дослідження та інформаційні технології. — 2014. — № 4. — С. 60-68. — Бібліогр.: 15 назв. — укр.
series	Системні дослідження та інформаційні технології
work_keys_str_mv	AT sokolovsʹkaav sistemnemodelûvannâíprognozstanudovkíllâmístakiêvanaosnovístatističnihdanihkosmíčnogogeomonítoringuínazemnihspostereženʹ AT níkítenkoov sistemnemodelûvannâíprognozstanudovkíllâmístakiêvanaosnovístatističnihdanihkosmíčnogogeomonítoringuínazemnihspostereženʹ AT fedorovsʹkijod sistemnemodelûvannâíprognozstanudovkíllâmístakiêvanaosnovístatističnihdanihkosmíčnogogeomonítoringuínazemnihspostereženʹ
first_indexed	2025-07-06T13:32:22Z
last_indexed	2025-07-06T13:32:22Z
_version_	1836904604302835712
fulltext	© А.В. Соколовська, О.В. Нікітенко, О.Д. Федоровський, 2014 60 ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2014, № 4 УДК. 004.942+504.06:528.88 СИСТЕМНЕ МОДЕЛЮВАННЯ І ПРОГНОЗ СТАНУ ДОВКІЛЛЯ МІСТА КИЄВА НА ОСНОВІ СТАТИСТИЧНИХ ДАНИХ КОСМІЧНОГО ГЕОМОНІТОРИНГУ І НАЗЕМНИХ СПОСТЕРЕЖЕНЬ А.В. СОКОЛОВСЬКА, О.В. НІКІТЕНКО, О.Д. ФЕДОРОВСЬКИЙ Обґрунтовано можливість використання моделі системної динаміки розвитку міста Форрестера-Грехема для оцінки стану довкілля міста Києва. Розроблено модифіковану імітаційну модель, яка включає в себе можливості асиміляції космічної інформації дистанційного зондування Землі та відображає динаміку змін структури складових урболандшафта та деяких еколого-соціальних фак- торів, а саме: території під житловою забудовою, дороги, загальну площу рос- линного покриву, пустирі та будівельні майданчики, чисельність промислово- торгівельних підприємств, емісію парникових газів, площу водного дзеркала, щільність забудови, чисельність населення. На її основі було визначено інтег- ральну оцінку екологічного стану міста Києва за період з 1994 по 2013 рік та дано прогноз до 2025 року. Отриману модель можна використовувати як нау- кову основу під час обґрунтування й формування методик для комплексного оцінювання стану довкілля міських територій з використанням космічної ін- формації дистанційного зондування Землі. ВСТУП Існують різноманітні підходи, що дозволяють виконувати системне моде- лювання різних сценаріїв розвитку міських територій на відповідних рівнях дослідження: екологічному, соціальному та економічному. Для цього ство- рюють моделі, які включають визначення, аналіз та наслідки взаємодії од- ночасно усієї сукупності урболандшафтних, геоландшафтних, техногенних та деяких соціальних факторів на стан міських агломерацій. Важливим при цьому є визначення характеру взаємовпливу та взаємозалежності складових урболандшафту та соціальних факторів, які дозволяють виділити зони з різ- ним ступенем техногенно-екологічної небезпеки, розробити прогноз їх змін та обґрунтувати шляхи мінімізації їх шкідливого впливу [1]. Для отримання оперативної інформації, яку буде використано у подаль- шому моделюванні й оцінці стану довкілля міських територій, найбільш перспективним є космічний геомоніторинг [2]. За допомогою космічних знімків дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) можна отримувати інформа- цію як для оперативного використання в разі аварійних ситуацій, так і для поточного контролю ландшафтно-функціональних зон міських агломерацій та прилеглих до них територій. Отримана таким чином інформація викорис- товується для моделювання різноманітних сценаріїв перспективного роз- витку міст, розробки довгострокових прогнозів і накопичення статистичних даних динаміки змін екологічного стану міських територій. Незважаючи на великий обсяг робіт, що присвячені цій темі, проблема наукового обґрунтування оцінки й прогнозу стану довкілля міських агломе- Системне моделювання і прогноз стану довкілля міста Києва на основі … Системні дослідження та інформаційні технології, 2014, № 4 61 рацій з використанням інформації ДЗЗ ще достатньо не опрацьована. У зв’язку з цим є актуальною розробка комплексної оцінки і прогнозу ста- лого розвитку довкілля міських територій на основі статистичних даних ко- смічних і наземних спостережень, системного моделювання та багатокрите- ріального аналізу складових урболандшафта. Мета роботи — системне моделювання стану довкілля м. Києва на ос- нові модифікації моделі системної динаміки розвитку міста Форрестера- Грехема [3], шляхом асиміляції космічної інформації ДЗЗ, обчислення функ- ції інтегральної оцінки екологічного стану F та дослідження динаміки змін структури складових урболандшафта міста (включно деякі еколого- соціальні фактори) за період з 1994 по 2013 рік і прогнозу до 2025 року. ДЖЕРЕЛА ДАНИХ Під час дослідження було використано дані із супутників «Landsat 5 TM», «Landsat 7/ETM+» та «Landsat 8», а саме обрано та опрацьовано 18 знімків міста Києва за період з 1994 по 2013 рік, на яких над досліджуваною тери- торією відсутня хмарність. За офіційними даними, площа Києва дорівнює 835,6 км2, яка розділена на 10 адміністративних районів. До міської території включено досить вели- кі лісові масиви, які знаходяться за межами міської забудови. Велику площу займають також численні парки і сквери — 43%. Проте вирубка дерев у пар- ках та прибудинкових територіях протягом останнього десятиріччя зменшує площу зелених насаджень. Окрім лісів, на кліматичні та екологічні особли- вості Києва впливає наявність поверхневих водних об’єктів: річок, озер, ставків. За офіційними даними, їх площа у межах міста становить 8 % від загальної [4]. Основними речовинами, що забруднюють атмосферне повітря, є оксид вуглецю, сполуки азоту, леткі органічні сполуки, діоксид та інші сполуки сірки. На їх долю припадає понад 96,9 % від загальної кількості викидів за- бруднюючих речовин в атмосферне повітря міста. Виходячи з параметрів перерахованих вище космічних знімків для подальших досліджень було обрано основні складові урболандшафту міста Києва, а також деякі геоекологічні й соціальні фактори, які отримано на ос- нові статистичних даних космічної інформації ДЗЗ і наземних спостережень (таблиця). МЕТОДИ Особливістю задач, які відносяться до вивчення навколишнього середови- ща, є дослідження спільної дії антропогенних і природних факторів. До ан- тропогенних факторів, як результат діяльності людини, належать штучні джерела тепла, вологи і домішок, зміни складу повітря, трансформація різ- них домішок, взаємодія радіації, забруднення атмосфери тощо. У загальній структурі моделі значне місце займають обробка результатів натурних вимі- рювань і доведення їх до чисельних моделей, тобто налаштування моделі та перевірка її якості відповідно до фактичної інформації, що є обов’язковим етапом моделювання. Тільки після такої перевірки можна розпочинати ви- рішення практичних завдань прогнозу й планування. А.В. Соколовська, О.В. Нікітенко, О.Д. Федоровський ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2014, № 4 62 Для обробки та інтерпретації матеріалів дистанційного зондування бу- ло використанно програмні комплекси Erdas Imagine та ArcGIS., які мають розвинутий інструментарій просторового аналізу. Для більш точної обробки та класифікації космічних знімків доречне спільне використання автоматич- ної класифікації та «спектральних індексів», які було отримано на основі пе- рерахунку співвідношення яскравості об’єктів у різних спектральних зонах. Автоматична класифікація виконувалася методом неконтрольованої класифікації кластерів, що базується на основі ітеративного процесу, який застосовується для обчислення мінімальної Евклідової відстані при відне- сенні кожної найближчої комірки до певного кластеру. При розрахунку «спектральних індексів» було використано нормалізований різницевий ін- декс рослинності NDVI [7], який є показником кількості біомаси та вирахо- вується за формулою: NDVI=(NIR-RED)/( NIR+RED), де RED та NIR — спектральні яскравості в червоному й ближньому інфра- червоному діапазоні відповідно. Також було розраховано NWI (normalized water index — нормований водний індекс), який використовує зелений діапазон та середній інфрачер- воний діапазон [6]. Індекс обчислюється за формулою: NWI = R560(GR) − R1650(SWIR)/ R560(GR) + R1650(SWIR); де R560(GR) — спектральне відбиття в зеленому дiапазонi електромагнітно- го спектра на довжині хвиль близько 560 нм; R1650(SWIR) — спектральне відбиття в інфрачервоному дiапазонi електромагнітного спектра на довжині хвиль близько 1650 нм. Для оцінки динаміки складових урболандшафту, включно техногенне навантаження та деякі еколого-соціальні фактори, було використано алгорит- ми методу багатокритеріальної оптимізації (БКО), що складаються з таких етапів [8]: введення функції близькості порівнюваних величин a й b; обчис- лення оцінки для функції близькості — S та функції відповідності — F. Ця функція описує ступінь збігу значень порівнюваних величин. Наприклад, порівнюються такі величини, як складові урболандшафту за всі досліджува- ні роки за період з 1994 по 2013 рік відносно їх стану в 1994 році порічно. ∑ = −= n j jjjj abSabABF 1 ,)],(1[),( ),( ρ (1) де ),( jj abρ — вагові коефіцієнти, .1 nj −= Близькість значення параметру a до параметру b визначається за допо- могою функції близькості — ),( jjj abS для наступних випадків: jjjjj ababS /)()( −= — для складових, які покращують стан довкілля; (2) jjjjj babbS /)()( −= — для складових, які погіршують стан довкілля. Тоді класифікація процесів або об’єктів може бути формалізована як завдання багатокритеріальної оптимізації m критеріїв, кожен з яких висту- пає як функція відповідності характеристики b параметру .a Системне моделювання і прогноз стану довкілля міста Києва на основі … Системні дослідження та інформаційні технології, 2014, № 4 63 Функція відповідності F є комплексним критерієм, який дозволяє оці- нювати стан довкілля міських територій з урахуванням екологічних, техніч- них і соціальних факторів, а саме: підприємства, територія під забудовою, пустирі, рослинний покрив, водойма, техногенне навантаження, населення тощо. Для розробки моделі і системного моделювання стану довкілля міста Києва було запропоновано метод, який засновано з урахуванням врахуванні ієрархії і причинно-наслідкових зв’язків між модулями складної системи на основі системної динаміки Д. Форрестера [5]. Цей метод полягає в розробці концептуальної моделі і формуванні математичної моделі, яку складають математичні рівняння, що описують баланс впливів у системі, ґрунтується на причинно-наслідкових відношеннях у системі, що моделюється. При цьо- му вирішуються чотири типи завдань: аналіз і засвоєння інформації, а також прогноз і планування. Завдання засвоєння інформації дозволяє оцінити па- раметри моделі та відновити просторово-часову структуру урболандшафтів за даними спостережень. Завдання прогнозу мають стандартне формулю- вання і схему реалізації: за заданим значенням вхідних параметрів за допо- могою моделей розраховуються функції стану, що характеризують поведін- ку системи у просторі та часі. Моделювання сценаріїв сталого розвитку міських агломерацій виконується при заданих соціально-економічних кри- теріях, санітарно-допустимих нормах стану довкілля та інших обмеженнях. Формально математичний опис динаміки системних рівнів зводиться до пов’язаної системи нелінійних диференціальних рівнянь першого поряд- ку виду: ,)(), ),(),t(( / 00 xxpxx =→= tttFdtd (3) де )(tх вектор — функція рівнянь (змінних стану); )(tp вектор — функція параметрів системи; )),(),t(( ttF px — нелінійна, в загальному випадку не- стаціонарна вектор функція, яка в переважній більшості випадків являє со- бою різницю між темпами (потоками, швидкостями) позитивних і негатив- них зворотних зв’язків: ( ) ( ) ,)),(),t(( – ),),t(( ),),t(( ttfttfttF pxpxpx −+= (4) де )),(),t(( ttf px+ — швидкості позитивних зворотних зв’язків, які включа- ють в себе всі фактори, що викликають ріст змінної x; )),(),t(( ttf px− — швидкості негативних зворотних зв’язків, що включають в себе всі фактори, що викликають спадання змінної x. При цьому припускають, що темпи зростання та спадання мультипли- кативно залежать від зворотних зв’язків у системі, які є комбінаціями змін- них стану х та параметрів р. Для з’ясування правильності побудови структури моделі та уточнення взаємозв’язків між її підсистемами проводилася верифікація моделі. Для цього на моделі відтворювалася динаміка складових урболандшафту та да- них стану довкілля м. Києва, яка потім порівнювалася з динамікою тих же змінних характеристик, взятих з генплану і статистичних звітів [9]. А.В. Соколовська, О.В. Нікітенко, О.Д. Федоровський ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2014, № 4 64 РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕННЯ На першому етапі після дешифрування обраних 18 космічних знімків м. Ки- єва за період з 1994 по 2013 роки було отримано значення складових урбо- ландшафтів та деяких соціально-екологічних факторів (таблиця). В якості техногенного навантаження використовувалися значення концентрації 2CO в атмосфері, які були отримані сенсором AIRS космічного апарату Aqua й супутником GOSAT [10, 11], та чисельність підприємств за це й же період. Наступним етапом досліджень було визначення функції інтегральної оцінки стану довкілля м. Києва на основі отриманих даних космічних і на- земних спостережень. В якості такого параметра було досліджено функцію відповідності ,F значення якої були обчислені за кожен досліджуваний рік відносно 1994 року (таблиця). Необхідно було визначити ступінь зв’язку функції F з критерієм, який характеризує екологічній стан м. Києва по на- земним традиційним вимірюванням. Ці дослідження виконуються Центральною геофізичною обсерваторією та Державним управлінням охорони навколишнього природного середови- ща в Київській області [12, 13, 14]. Останні в якості критерію оцінки еколо- гічного стану міста використовують комплексний індекс забруднення атмо- сфери ),(K значення якого визначаються в результаті вимірювань концентрації забруднюючих речовин у повітрі наземними станціями м. Киє- ва. Для подальшого обчислення було зручно, в якості екологічного крите- рію, використовувати відношення KE /1= (в умовних одиницях, таблиця). Результати обчислень коефіцієнта кореляції між значеннями функції F та критерієм E показали, що функція відповідності F характеризує еколо- гічний стан міської території з ймовірністю порядку 83,0=R , що достатнє для практичного використання даних екомоніторингу міських територій. Т а б л и ц я . Статистичні дані по м. Києву та результати обчислення чисель- них оцінок екологічного стану Е та функції F За га ль на п ло щ а ро сл . п ок ри ву Т ер ит ор ії пі д за бу до во ю П ус ти рі т а бу д. м ай да нч ик и П ло щ а во дн ог о дз ер ка ла Щ іл ьн іс ть за бу до ви Н ас ел ен ня О бс яг и ви ки ді в ш кі д. р еч . в п ов . П ід пр иє м ст ва C O 2 Е Ф ун кц ія F( Б К О ) Ро ки км2 км2 км2 км2 % тис. осіб тис. т тис. шт. мг/ дм³ ум.од. ум.од. 1994 602 174,4 12,8 48,3 20,5 2640 140 30 363 0,208 1 1995 602 177,6 12,8 48 20,9 2644 139 31,4 364 0,202 0,995 1996 601 177,9 12,3 48,4 20,9 2639 123 32,8 366 0,200 1,004 1998 601 178,4 11,3 47,2 21,0 2630 119 35,8 369 0,225 0,989 1999 600 178,1 14,0 47,8 21,0 2627 112 - 371 0,226 1,003 2000 597 175,4 10,6 47,4 20,7 2632 105 39 373 0,222 1,008 2001 593 179,1 10,5 46,9 21,1 2615 113 40,7 374 0,179 0,998 Системне моделювання і прогноз стану довкілля міста Києва на основі … Системні дослідження та інформаційні технології, 2014, № 4 65 Продовження таблиці 2002 591 182,7 11,5 45,2 21,6 2611 170 42,5 376 0,189 0,984 2004 585 190,9 12,2 45,8 22,5 2622 173 46,4 379 0,199 0,948 2005 585 190,1 10,5 45,6 22,4 2666 181 48,4 380 0,201 0,958 2006 585 192,5 11,0 45,6 22,7 2693 199 50,5 382 0,185 0,959 2007 584 194,9 11,3 45,7 23,0 2718 210 52,6 383 0,176 0,969 2008 574 202,9 11,6 45,9 23,9 2740 221 54,8 384 0,168 0,958 2009 569 210,9 11,5 46,4 24,8 2766 227 - 386 0,167 0,939 2010 568 211,8 12,8 45,6 24,9 2785 231 59,4 388 0,158 0,942 2011 567 212,6 11,3 45,6 25,0 2799 275 61,8 389 0,149 0,931 2012 566 213,8 10,4 45,5 25,2 2814 278 64,3 391 0,147 0,929 2013 565 215,0 10,1 45,5 25,3 2640 275 66,9 393 0,142 0,914 На рис. 1 приведено графік функції відповідності F по рокам. Аналізу- ючи зміни значень ,F бачимо, що з 1994 року відбувається поступове збільшення показників .F Враховуючи, що наприкінці минулого століття техногенне навантаження на міську територію зменшувалось, тенденцію збільшення F можна пояснити, як покращення екологічного стану у місті в результаті зменшення виробництва. З 1999 року значення F починають зменшуватися. Оскільки дані, наведені в таблиці, здобуто на відносно обмеженому експериментальному матеріалі, для підтвердження наявності статистично значимої кореляційної залежності між дослідженими величинами необхідно показати, що значення коефіцієнтів кореляції R дійсно не дорівнюють нулю для ,18=n де n — кількість років. З огляду на те, що розподіл R повільно Ф ун кц ія в ід по ві дн ос ті (F ) та F (м од ел ь) , у мо вн і о ди ни ці Ек ол ог іч ни й ст ан (Е ), ум ов ні о ди ни ці Роки Рис. 1. Результати дослідження стану довкілля міста Києва за період з 1994 по 2013 рік А.В. Соколовська, О.В. Нікітенко, О.Д. Федоровський ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2014, № 4 66 зводиться до нормального, цю операцію було проведено з використанням функції R RnU − +− = 1 1ln 2 3 шляхом перевірки гіпотези про рівність нулю одер- жаних коефіцієнтів кореляції R для певної кількості експериментів [15]. Відсутність статистично значимої кореляційної залежності виявляється у випадку, коли значення функції U потрапляють в інтервал <≤− UZ 2/α ,2/αZ< де ,2/αZ обмеження по площі гаусівського розподілення за ордина- тами .α± Значення U для 18 років та 83,0=R дорівнює 4,74. Межі зони 2/αZ− й 2/αZ для функції U обрано при значеннях ,1,0=α що відповідає достовірності 0,83 і дорівнюють відповідно 69,1− та .69,1+ Таким чином підтверджується наявність статистично значимої кореля- ційної залежності та достовірності результатів досліджень. Проведені на моделі системної динаміки міста Форрестера-Грехема об- числювальні експерименти показали можливість використання базової мо- делі для оцінки стану складових міських територій за даними наземних спо- стережень. Однак базова модель жодним чином не дає інтегральну оцінку і прогноз стану довкілля міських територій на основі узагальнюючого кри- терію і не використовує можливості космічної інформації ДЗЗ. У роботі виконано модифікацію і доопрацювання моделі міста в систе- мі Vensim, а саме впровадження рівнянь (1) і (2) для обчислення функції ін- тегральної оцінки екологічного стану F (функції відповідності) та асиміля- ції космічної інформації ДЗЗ для дослідження динаміки змін структури складових урболандшафту міста і прогнозу до 2025 року (рис. 1, 2). На основі модифікованої імітаційної моделі системної динаміки розвит- ку міста, включаючи складові урболандшафта та деякі еколого-соціальні фактори, а саме: території під житловою забудовою, дороги, загальну площу рослинного покриву, пустирі та будівельні майданчики, чисельність проми- слово-торгівельних підприємств, емісію парникових газів, площу водного дзеркала, щільність забудови, чисельність населення, було сформовано мо- дель, відповідні взаємозв’язані підсистеми (модулі), визначено границі мо- дельованої системи та рівня деталізації модельованих процесів. На основі статистичної, аналітичної й експертної інформації було отримано причинно- наслідкові зв’язки між модулями та збудовані відповідні діаграми. Розглянувши рис. 2 видно, що модель адекватно реагує на зміну зна- чень складових міської території. Так збільшення площ зеленої зони при- зводить до покращення екологічного стану території Києва, а підвищення техногенного навантаження викликає погіршення екологічного стану, у той же час зростання площ забудови і водойм незначно впливає на екологічній стан міської території. В якості прикладу, наведено прогнозну оцінку роз- витку стану довкілля за поступової зміни складових урболандшафта: зеленої зони та техногенного навантаження — 2CO до 10% від номінального зна- чення 2013 року. Точність прогнозу з обраної моделі виконувалася шляхом розрахунку кореляційного показника )(R даних отриманих у минулому щодо наземної статистики і даних, які отримано в ході моделювання за період з 1994 по 2013 рік. Показник R складає 0,86, що є достатньою умовою. Системне моделювання і прогноз стану довкілля міста Києва на основі … Системні дослідження та інформаційні технології, 2014, № 4 67 ВИСНОВКИ На основі методу багатокритеріальної оптимізації, на прикладі м. Києва за період з 1994 по 2013 рік, отримано взаємозв’язок структури складових урболандшафта та деяких еколого-соціальних факторів зі станом довкілля міської території. Модифіковано та доопрацьовано модель системної динаміки Форресте- ра–Грехема шляхом асиміляції інформації космічного геомоніторингу, до- повнювання математичної моделі рівнянням для обчислення функції відпо- відності F для інтегральної оцінки стану довкілля міста. Запропонована модель дає змогу, виходячи з реальних умов, моделювати та прогнозувати зміну стану довкілля міських територій під впливом різних факторів та на- дає відповідним службам міста можливість своєчасно реагувати на можливі наслідки. В результаті зроблено моделювання і прогнозна оцінка стану до- вкілля м. Києва до 2025 року. ЛІТЕРАТУРА 1. Методология и методы оценки состояния городской среды / Отв. Ред. Г.Л. Кофф, Э.А. Лихачёва, Д.А. Тимофеев. М.: Медиа-пресс, 2006. — 200 с. 2. Лялько В.И., Федоровский А.Д., Попов М.А. и др. Использование данных спут- никовой съемки для изучения природоресурсных проблем // Космічні дослідження в Україні: звіт за 2002–2004. — К.: КІТ, 2004. — С. 7–14. 3. Alfeld L.E., Graham A.K. Introduction to Urban Dynamics. — Waltham: Pegasus Communications, 1976 — 300 p. Умовні одиниці Роки Рис. 2. Результати прогнозу стану довкілля м. Києва (значення функції відповідно- сті F) до 2025 року, а також при поступовому зменшенні ,CO2 і площі зеленої зони до 10% відносно 2013 року А.В. Соколовська, О.В. Нікітенко, О.Д. Федоровський ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2014, № 4 68 4. Звіт про стан навколишнього природного середовища в місті Києві у 2010 р. / Державне управління екології та природних ресурсів в м. Києві. — Київ, 2011. — 122 с. 5. Forrester J.W. Counterintuitive behavior of social systems // Technology Review 1971. — 73 (3). — P. 52–68. 6. Ермошин И.С. Современные средства автоматизированого дешифрирования космических снимков и их использование в процессе создания и обновле- ния карт // ArcReview. — 2009. — № 1. — С. 12–13. 7. Нuete A., Justice C., van Leeuwen W. MODIS vegetation index (MOD13). Algorithm theoretical basis document. Verion 3. — 1999. — P. 13–25. 8. Федоровский А.Д., Даргейко Л.Ф., Зубко В.П., Якимчук В.Г. Системный подход к оценке эффективности аппаратурных комплексов дистанционного зондирования Земли // Космічна наука і технологія. — 2001. — 7, № 5–6. — С. 75–79. 9. Генеральний план м. Києва. Основні положення / Виконавчий орган Київської міської ради (Київська міська державна адміністрація) комунальна організація «Інститут генерального плану м. Києва». — Київ, 2011. — 107 с. 10. Engelen R.J., Serrar S., Chevallier F. Four dimensional data assimilation of atmos- pheric CO2 using AIRS observations // Journal of Geophysical Research. — 2009. — 114. — Р. 145–159. 11. NIES. Database of the GOSAT project. Courtesy JAXA/NIES/MOE. 2013. — https://data.gosat.nies.go.jp. 12. Праці Центральної геофізичної обсерваторії / Під ред. О.О. Косовця. — К.: Інтерпрес ЛТД, 2000–2012 рр. 13. Огляд стану забруднення навколишнього природного середовища в Україні у першому півріччі 2013 року за даними спостережень мережі національної гідрометслужби України / Державна служба України з надзвичайних ситуацій. Центральна геофізична обсерваторія. — Київ, 2013. — С. 23. 14. Екологічний паспорт Київської області (2011 р.) / Державного управління охо- рони навколишнього природного середовища в Київській області. — Київ, 2011. — 154 с. 15. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. — М.: Наука, 1974. — 831 с. Надійшла 25.12.2013

Системне моделювання і прогноз стану довкілля міста Києва на основі статистичних даних космічного геомоніторингу і наземних спостережень

Institution

Similar Items