Надзвичайні ситуації та цивільний захист населення

6.2. ГІС-технологіїу роботі МНС України - досвід сучасного застосування

Щорічно збитки від катастроф природного й техногенного походження становлять суму рівну 2-4% і більше в структурі ВВП багатьох країн, згідно з даними ООН. В Україні тільки щорічні витрати на ліквідацію наслідків

Чорнобильської катастрофи перевищують 2% від загального обсягу ВВП. Економічна криза, супроводжувана збільшенням частки застарілих технологій і устаткування, зниженням рівня модернізації й відновлення виробництва збільшує ризик виникнення катастроф. Широкомасштабне нарощування і різнопланове впровадження геоінформаційннх ресурсів, що відбувається в усьому світі у значній мірі пов´язане з необхідністю вдосконалювання інформаційних систем, Що забезпечують прийняття рішень на державному рівні.

Просторовий, або географічний аспект виникнення надзвичайних ситуацій в Україні дуже важливий, оскільки наша держава має досить значну за площею територію, що характеризується значними розбіжностями в особливостях НС як природного, так і техногенного характеру. Зокрема, регіони з підвищеним рельєфом (Крим, Карпати) вже є потенційно небезпечними з точки зору виникнення повеней та селей. Регіони з розвинутою гірничо-збагачувальною галуззю створюють небезпеку виникнення зсувів, проваль, ґрунтових порушень. Саме тому створення єдиної геоінформаційної системи обліку потенційно небезпечних об´єктів державного рівня є вкрай необхідним.

Використання ГІС-технологій для забезпечення урядових інформаційних систем навіть позначено у світовій практиці спеціальним терміном "G-Government" (як елемент системи "E-Govemment" - "електронний уряд"), що підкреслює особливості цієї сучасної й ефективної форми роботи із просторовою інформацією. Місце геоінформаціної складової в державному регулюванні надзвичайних ситуацій досить значне.

У першу чергу, це організація базових електронних карт місцевості і цифрових моделей рельєфу. Потім - створення тематичних карт, що характеризують стан навколишнього середовища; карт розміщення мереж спостереження за природними і техногенними явищами; схем розподілу сил і засобів реагування на НС із прив´язкою потенційно небезпечних об´єктів і НС, що сталися. Ці операції найбільш ефективно виконують за допомогою геоіформаційних технологій, хоча кожен елемент розподіленої інформаційної бази системи не повинен неодмінно створюватися на платформі ГІС.

В Україні одним з важливих кроків у цьому напрямку стало створення Урядової інформаційно-аналітичної системи з надзвичайних ситуацій (УІАС НС). Її основними замовниками є Кабінет Міністрів України й Міністерство України з питань надзвичайних ситуацій і у справах захисту населення від наслідків Чорнобильської катастрофи (МНС). Система покликана забезпечити міжвідомчу інформаційну взаємодію й аналітичну підтримку прийняття рішень на основі сучасних методів просторового аналізу, моделювання розвитку надзвичайних ситуацій і прогнозування їх наслідків.

Для реалізації таких масштабних комплексних проектів потрібні чималі фінансові, організаційні та інтелектуальні ресурси. Тому одним з важливих моментів є розгляд місця й ролі геоінформаційних технологій й обґрунтування необхідності їхнього впровадження в загальну інформаційну структуру урядових систем.

Роль геоінформаційної складової при створенні інформаційної інфраструктури урядової системи власне і висвітлюється на прикладі УІАС НС, елементи якої зараз впроваджуються в МНС України. Виходячи з виконуваних функцій, дану інформаційну структуру можна представити у вигляді трьох блоків: збору даних, аналітичного, підтримки управлінських рішень.

Світовий досвід показав, що інформаційна структура урядового рівня повинна спиратися на розподілені джерела інформації. У противному випадку забезпечити легітимність і актуальність даних для прийняття рішень буде вкрай важко. З огляду на це, у процесі створення УІАС НС забезпечується як міжвідомчий обмін електронними інформаційними ресурсами, так і загальне інформаційне середовище для взаємного спілкування державних органів: захищена телекомунікаційна мережа, електронна пошта, електронний документообіг і т.д. Блок збору даних УІАС НС одержує й обробляє інформацію з ряду структур і відомств: МІІС (БД повідомлень про надзвичайні ситуації); Український Гідрометцентр (БД гідрометеорологічної інформації); Міжвідомчий центр електронної картографії (МЦЕК), м. Харків, (фонд електронних тематичнихкарттериторіїУкраїни); інститут Мікрографії,и. Харків (БД "Загальнодержавний реєстр потенційно небезпечних об´єктів") і т.д.

Працювати усім в одному програмному середовищі, тим більше в ГІС, звичайно заманливо. Але сам факт забезпечення всіх співвиконавців навіть найсучаснішими ГІС-продуктами ще не означає автоматичного створення єдиного інформаційного середовища. Так, у випадку з УІАС НС, практично всю роботу з організації просторових даних на платформі ГІС могли б узяти на себе розроблювані фонду електронних тематичних карт (МЦЕК). Виконати це побажання сьогодні заважає лише брак фінансування. Таким чином, необхідною умовою для створення блоку збору даних геоінформаційної інфраструктури є наявність хоча б одного розробника, що інтегрує просторову інформацію розподілених джерел на платформі ГІС. Інші постачальники даних можуть передавати інформацію в доступному для них виді - таблиці, бази даних, цифрові карти та ін., але відповідно до загальних вимог розробників центральної ГІС до організації просторової інформації.

Аналітичний блок забезпечує аналіз вихідних даних й одержання якісно нової результуючої інформації у формі, оптимальній для підготовки управлінських рішень. Це визначає наявність у системі прогнозу надзвичайних ситуацій двох підблоків, що можуть бути просторово й організаційно розподілені між організаціями, що здійснюють аналіз і обробку даних:

* блок методик і алгоритмів обробки даних, зв´язаних з нормативно-правовим і методичним забезпеченням прогнозу і ліквідації наслідків НС;

* блок моделюючих систем, що здійснюють власне обробку даних на основі спеціалізованих програмно-технічних комплексів.

Для уніфікованої обробки інформації атрибутивних банків даних за прогнозом і ліквідацією наслідків НС необхідна розробка спеціалізованих регіональних і національних баз даних методик і алгоритмів, а також нормативно-правової інформації на основі застосування телекомунікаційних технологій. Це особливо важливе для регіональних інтегрованих систем міжвідомчого екологічного моніторингу, у структурі яких ряд однакових показників виміряється різними міністерствами й організаціями. Рух в цьому напрямку вже починався, але ще багато чого належить зробити.

Обрані методики й алгоритми виконання аналітичних операцій у системах даного типу повинні не тільки забезпечувати рішення поставленої задачі, але й задовольняти жорстким умовам урядових систем, головне з яких - легітимність. Методики й алгоритми обробки даних за прогнозом НС повинні бути сертифіковані і затверджені уповноваженими органами. Однак нормативний дефіцит в області геоінформатики істотно ускладнює рішення цієї задачі.

Характерним наслідком зазначеної ситуації є, наприклад, примітивність алгоритму, прийнятого в ПМК НС для розрахунку зон ураження, зв´язаних з викидом забруднювачів в атмосферу. Фахівці України сьогодні мають у своєму розпорядженні досить точні моделі процесів переносу забруднювачів в атмосфері, здатні врахувати зміни напрямку конвективного переносу з висотою, турбулентність приземного шару атмосфери, можливість "залягання" викиду або виносу його на відносно безпечну висоту, як, наприклад, їхній реалізації в УІАС НС сьогодні перешкоджають два основних фактори.

По-перше, чи відповідають алгоритми, розраховані на використання прогнозних значень мете- опараметрів, переданих по каналах АСПД зі світових метеорологічних центрів типу BRAKNELL або аналогічних йому розроблювачів мезомасштабних моделей, офіційним користувачем яких Україна не є. По-друге, жоден з даних алгоритмів ще не пройшов відповідного тестування, тобто не є легітимним .З огляду на дану ситуацію, методичним керівництвом для розробки відповідного модуля ПМК НС стала методика, затверджена в МНС України у квітні 2001 року. В її основі лежать досить зверхні і застарілі підходи ЦО, що базуються на даних найближчої метеостанції. При цьому заздалегідь відомо, що отриманий результат буде далекий від оптимального, причому реально можливого (рис. 6.2.5). На цьому малюнку приведене порівняння інтегрованих у ГІС результатів моделювання міграції викиду в атмосферу, заснованих на даних, переданих з центра BRAKNELL (ліворуч), і реалізуючу методику, прийняту в МЧС України (праворуч).

Бази даних мето дане і алгоритмів в області прогнозу і реагування на НС поки не одержали значного поширення. Подібна інформація існує, як правило, у паперовому вигляді, у формі розпорядницьких документів (наказів, методичних вказівок, класифікаторів і т.д.), затверджених спеціально уповноваженими органами виконавчої влади. Прикладом є Постійно поновлювані гіпертекстові бази даних "Законодавство України", ^а також сайти або інформаційні портали органів влади (Парламенту України, Ради міністрів Автономної Республіки Крим, райдержадміністрацій і т.д.). Однак ці бази даних поки не включають методик обробки даних, їхньої оцінки й алгоритмів просторового аналізу. Виняток складають методичні документи міністерств і відомств, що пройшли реєстрацію в Мін´юсті України і його регіональних підрозділів. Крім того, в органах ЦНТІ досить активно переводять на електронні носії значні обсяги ДСТ, СНІПІВ, технічних умов та ін.

Окремого розгляду заслуговує фактор забезпеченості аналітичних систем вихідними даними, що багато в чому визначає вибір алгоритму аналізу. За даними Геологічної Служби США, тільки на території штату Північна Дакота, що регулярно зазнає паводкового затоплення, задіяно близько 6000 автоматизованих станцій комплексних гідрометеорологічних спостережень. Для порівняння, на території Закарпатської області (вона на порядок менша за площею, але на ній проживає вдвічі більше людей) знаходиться всього 8 метеостанцій, 2 автоматизованих і 36 неавтоматизованих гідропостів, зв´язок з якими під час розвитку екстремальних гідрометеорологічних ситуацій, як показує практика, ненадійний. Тобто, якість інформації, реально доступної на території України в період розвитку НС, робить неефективним, наприклад, застосування таких визнаних у світі комплексів гідрологічного моделювання, як HEC-RAS, SMS, MIKE-11 та ін.

Можливість складання гідрологічних прогнозів на цю частину території України сьогодні забезпечують застосуванням стохастичних залежностей, отриманих шляхом детального вивчення гідрологічного режиму кожної ріки. Прикладом системи, заснованої на алгоритмі такого типу, є розроблений фахівцями УКРНІГМІ комплекс гідрологічного моделювання LEVEL TS М, що був прийнятій зовнішній моделюючий блок ГІС у складі ПМК НС. З огляду на сказане вище і реальні можливості інформаційно-аналітичних служб МНС України, розроблювачі ПМК НС ішли шляхом автоматизації найбільш наукоємних етапів цього процесу і виключення алгоритмів, особливо чутливих до дефіциту вихідних даних або тих, що потребують залучення фахівців.

Також досить важливо зробити правильний вибір способу програмної реалізації алгоритму, особливо що включає в себе складні математичні операції. У загальному випадку, за характером взаємодії з ГІС засобу просторового аналізу і моделювання можна розділити на дві основні групи: власні засоби ГІС-платформ і зовнішні спеціалізовані моделюючі блоки, тим або іншим шляхом інтегровані з ГІС.

Прикладом спеціалізованого засобу першого тішу є блок інструментів гідрологічного аналізу, що входить до складу модуля ArcGIS Spatial Analyst. Звичайно системи такого типу застосовують вбудовані функції, що реалізують алгоритми розрахунку площі водозбору, виділення басейнів різних порядків, формування потоків, аналізу ухилів і т.п. У багатьох випадках значно ефективнішим є шлях інтеграції ГІС зі спеціалізованими моделюючими комплексами, що визначають другу групу аналітичних систем. Така взаємодія дозволяє поєднати надійність, алгоритмічну широту й оперативність розрахункових блоків спеціалізованих моделюючих комплексів із властивою ГІС ефективністю засобів аналізу і відображення просторової інформації.

Роль ГІС при взаємодії такого роду звичайно зводиться до підготовки і схематизації просторової інформації, моделювання рельєфу місцевості і необхідних нетопографічних поверхонь, формування файлу обміну із зовнішнім моделюючим комплексом, а також просторового аналізу і відображення результатів моделювання.

Механізми і методи автоматизованої підтримки управлінських рішень поки є найбільш слабкою ланкою в системах розглянутого типу. На цьому етапі важливу роль має вибір оптимального рішення з декількох конкуруючих варіантів, підготовлених і візуалізованих у блоці обробки й аналізу Даних. Критерії оптимізації (пріоритет тактичного або стратегічного аспектів, орієнтація на максимальний економічний або соціальний ефект, вибір найбільш адекватних поставленій меті результатів та ін.) у даний час практично не формалізовані. їхній вибір поки що визначають або життєвий досвід особи, що приймає рішення, або корпоративні інтереси. У Цьому плані, такі елементи технології експертних систем, як бази знань і бази метаданих, ще не одержали широкого розвитку в Україні.

Роль геоінформаційної складової, досягає максимуму в аналітичному блоці. Саме логіка візуального сприйняття часто допомагає відтворити цілісну картину явища. Способи відображення можуть використовуватися різні - від карт, схем та ілюстрацій до технологій "віртуальної реальності". Досить ефективно віртуальна реальність використовувалася при дослідженні приміщень 4-го блоку ЧАЕС, у яких після аварії перебування людини було вкрай обмежене або неможливе. При виборі оптимальних варіантів трас магістральних трубопроводів зазначена технологія дає можливість запросити необхідних експертів до екрана комп´ютера, а не в польову експедицію і, тим самим, заощадити значні засоби і час. Як приклад ефективності застосування ГІС на етапі прийняття рішень, наведена візуальна оцінка прогнозованої зони затоплення 1% забезпеченості в заплаві р. Боржава (Закарпаття, Україна) з використанням технологій "віртуальної реальності", реалізованих у додатку ArcScene системи ArcGIS. Для відтворення актуального покриття землі використовувався космічний знімок Landsat 7. Зона затоплення отримана за даними прогнозування в ПМК НС.

В даний момент розроблювачами УІАС НС як стандарт обміну результатами роботи аналітичного блоку визначена форма електронного документа у форматі XML (рис. 6.2.8), що по мережах интра- і Інтернет передається структурам, які приймають рішення. Даний варіант проходить апробацію в МНС України.

Сьогодні інформаційне забезпечення УІАС НС базується на розміщених в МНС України наступних базах даних:

надзвичайних ситуацій, що містить інформацію про час, тип і масштаб
НС;
гідрометеорологічної інформації, що оперативно формується за даними Гідрометцентру України;
"Загальнодержавний реєстр потенційно небезпечних об´єктів";
Фонд електронних тематичних карт території України.

Протягом 2001 р. реалізовано чотири перших комплекси, спрямованих на:

прогнозування й оцінку наслідків паводкових ситуацій;
прогнозування й оцінку наслідків селевих проявів;
прогнозування й оцінку наслідків викидів в атмосферу небезпечних хімічних речовин;
просторову оцінку можливих наслідків карстових проявів.

Про ефективність використання УІАС НС свідчать приклади, наведені нижче. Зокрема, вивчався вплив змін лісового покриву на небезпечні природні явища в Карпатах. Проект реалізований на замовлення РНБОУ, за грантом Агентства США міжнародного розвитку (AMP-Київ). Як відомо, в останні роки в Карпатському регіоні зросли кількість і масштаб природних катастроф. Одним з найважливіших показників екологічної стійкості в Закарпатті є рівень лісистості схилів, розташованих у районі річкової мережі даного регіону. У той же час, за деяким даними, за останні роки верхня межа лісу в Закарпатті знизилася на 200-300 метрів. Зміни даного показника в часі й просторі можуть бути з достатнім ступенем вірогідності й оперативності оцінені шляхом використання даних супутникових зйомок і їхньої цифрової обробки.

Мета проекту - визначити на основі космічних знімків зміни, що відбулися в лісовому покриві, у першу чергу, у межах річкових басейнів у Карпатському регіоні, а також оцінити рівень можливого взаємозв´язку між динамікою змін лісового покриву й інших факторів з розвитком небезпечних природних явищ.

У процесі робіт були використані наступні матеріали:

- Результати інженерно-геологічного обстеження Закарпатської області щодо місць розташування зсувів і їхнього стану (на 20 березня й 18 травня 2001 p.).

- Статистична інформація про ураженість зсувами річкових басейнів Закарпатської області протягом 1998-1999 pp.

- Знімок SPOT від 22 жовтня 1998р.

- 2 знімки Landsat від 27 липня 1988 р. і 31 липня 1998 р.

- Цифрова карта Закарпатської області масштабом 1:200 ООО.

Основні результати проекту:

- Визначені зміни в лісовому покриві з 1998 по 2000 pp. на територіях дослідження, охоплених космічними знімками.

- Визначені місця в Закарпатті з найбільшою активізацією зсувних процесів і їхній розподіл по річкових басейнах. За попередніми даними, відзначається ріст кількості зсувів, що активізуються поблизу населених пунктів, доріг і в зонах впливу паводка, де тривалий час переважно був відсутній лісовий покрив.

- Виконаний аналіз можливого взаємозв´язку між станом лісового покриву й активізацією зсувів.

- Інтегровані в ГІС результати робіт у вигляді тематичних шарів даних.

- Розроблені рекомендації з організації контролю за змінами в лісовому покриві й небезпечними природними явищами методами ДЗЗ (дистанційне зондування Землі).

За допомогою спеціально розробленої ГІС можливо здійснювати прогнозування ризиків повені в Західній Україні. Так, у листопаді 1998 р. катастрофічна ситуація склалася в Карпатському регіоні на заході України. За кілька днів неймовірні дощі призвели до значного стоку води з гір, затопивши більшість міст і сіл, розташованих у низинних рівнях, і здійнявши з місць проживання тисячі людей. Особливо серйозною проблемою стали зрушення ґрунту, що спричинило істотні майнові збитки та втрату людських життів. У рамках заходів, розпочатих при реагуванні українських урядових органів на це лихо, Міністерство надзвичайних ситуацій (МНС) звернулося до УЦМЗР("Український цент]) менеджменту Землі і ресурсів") із проханням розробити демонстраційну ГІС для розуміння механізмів виникнення повені й надання прогнозних моделей потенційного впливу стихійного лиха на інфраструктуру й населені пункти під час очікуваної тоді весняної повені 1999 р.

Працюючи разом з Міністерством надзвичайних ситуацій, Гідрометцентром України, Центром аерокосмічного й екологічного моніторингу у Львові, ERIM International, і Геологічною Службою США (USGS), УЦМЗР розробив шари даних ГІС, використавши знімки SPOT і Landsat, а також існуючі дані рельєфу й карти для того, щоб провести інтегрований аналіз просторових даних і моделювання.

Один з найцікавіших елементів даного проекту демонструється на рис. 6.2.9, де порівнюються супутникові знімки Свалявн, міста в регіоні Карпатських гір, датовані 1968 і 1998 pp. На знімку 1968 р. завдяки використанню моделі підйому рівня води чітко видно, що окремим територіям міста ризик повені загрожує більше, ніж іншим. При відсутності на той період при плануванні міста будь-яких ГІС стало можливим проводити нове будівництво на територіях, які легко "впізнаються" на знімках 1998 р. ж області, схильні до затоплення.

Даний проект демонструє здатність вчасно реагувати на надзвичайні вимоги державних і місцевих органів влади й розробляти способи підтримки рішень, які можуть допомогти у плануванні міст і визначенні територій, що перебувають під значною загрозою повені.

Наступний приклад пов´язаний з прогнозуванням пожежонебезпечних ситуацій. Щодоби в Україні виникає 150 пожеж, під час яких у середньому гине й травмується 12 чоловік. У результаті пожеж держава зазнає витрат на суму 3 млн. гривень (приблизно 0,2 % від ВВП). Традиційне використання авіації для патрулювання пожежонебезпечних регіонів вимагає залучення величезних засобів, що спричиняє цілком виправдане зростання інтересу до використання супутникових систем зондування земної поверхні для оперативного виявлення й моніторингу лісових пожеж.

Активно застосовуючи супутникові технології, УЦМЗР ("Український центр менеджменту Землі і ресурсів") проводить щоденний моніторинг пожеж у лісах Полісся, Київської області, Криму й Карпат. Завдяки цьому фіксують осередки лісової пожежі на основі даних 3-4 космічних знімків України, щодня одержуваних на прийомну антену з NOAA, супутника Національної адміністрації США по вивченню океану й атмосфери.

Усього лише протягом трьох років зафіксовано понад 800 пожеж на території України. Вся зібрана інформація разом з первинними знімками, передається в органи влади, відповідальні за моніторинг наземної ситуації.

Проект моніторингу пожеж реалізується за фінансової підтримки Агентства США міжнародного розвитку (AMP-Киев), у рамках Тимчасового регламенту обміну інформацією між УЦМЗР й Адміністрацією зони відчуження, підписаного в грудні 2000 p., а також Угоди про загальну діяльність і обмін інформацією між службою Прогнозування ситуацій Міністерства України з надзвичайних ситуаціях і ліквідації наслідків Чорнобильської катастрофи й УЦМЗР, підписаного у квітні 2002 р. В 2001-2002 pp. такий обмін уже був апробований на прикладі відстеження паводка в Поліссі й моніторингу пожеж у Чорнобильській зоні.

У рамках поточного проекту:

- Щодня здійснюється аналіз на наявність осередків пожеж по кожному знімку, отриманому зі супутників N0 А А 12, 14, 15. При цьому, результати моніторингу вносяться до Журналу реєстрації пожеж і зберігаються в Київському офісі УЦМЗР.

- Підтримується постійний зв’язок із кризовим Центром МНС і Адміністрацією Зони відчуження (щодня в пожежонебезпечні дні й кілька разів на місяць у пожежонебезпечні періоди).

- У випадку виявлення ділянок, які можуть бути осередками пожеж, інформація про це негайно передається в Міністерство з надзвичайних ситуацій України.

УЦМЗР також надає всім користувачам Інтернет можливість оперативно довідатися про пожежі у своєму регіоні. Відкривши Розділ "Корпоративний клієнт", бажаючі можуть вільно переглянути карти останніх великих пожеж, зафіксованих УЦМЗР.