МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(Государственный технический университет)

Кафедра № 301

Лабораторная работа № 3

Элементы экологического (геофизического) мониторинга и картирования

по курсу “Экология”

для студентов первого курса факультета № 3

Составители: профессор Рыбников С.И., доцент Заведеев А.И.

Утверждено на заседании кафедры № 301

“ ___ “ ___________ 2005 г.

МОСКВА

2005

Цель работы – ознакомление студентов с отдельными понятиями (элементами) экологического мониторинга, в частности, такими как маршрутизация и картирование.

Под мониторингом понимают проведение контроля отдельных характеристик окружающей среды. Он включает ряд типовых операций. В зависимости от уровня решаемых задач можно выделить несколько видов мониторинга:

• целевой мониторинг,

• мобильный аэрокосмический мониторинг.

Первый решает задачи обхода и анализа группы объектов на регулярной основе, второй позволяет реагировать в условиях изменяющейся текущей обстановки на возникающие угрозы. Для осуществления мониторинга необходимо иметь специальные технические средства, позволяющие производить измерения отдельных параметров окружающей среды. Современный аэрокосмический (комбинированный) мониторинг предполагает использование с целью зондирования среды радиолокационных, оптических, акустических, инфракрасных, рентгеновских, лазерных и других технических средств (радары, сонары, лидары и т. п.).

Планирование маршрута движения

Прокладка маршрута движения или маршрутизация подразумевает плановый обход ряда заданных объектов, анализ сложившейся обстановки, выбор оптимального маршрута для решения поставленной целевой задачи.

Маршрутизация в данной лабораторной работе осуществляется с помощью файла MARSHRUT.

Рассмотрим решение задач при помощи целевого мониторинга.

Прокладка маршрута, охватывающего заданное множество точек без ограничений (метод генетического программирования)

Воспользуемся файлом Voyager exe (bat) (адрес: D: \ LAB – RAB\ Voyager exe).

Copyright © 1996-1998 Попов К.А.

Производится инспекция большого числа точек без запрещенных зон.

Задача маршрутизации в данной постановке состоит в определении кратчайшего пути, проходящего (без повторных заходов) через данные точки.

Это известная задача коммивояжера (salesman). В области экологии такие задачи встречаются, например, при подсчете численности популяции в некотором ареале, когда требуется посетить большое число точек компактного проживания групп особей в пределах этого ареала. Оптимальное решение задачи коммивояжера может быть получено полным перебором всех возможных путей обхода. Однако сложность такого решения с вычислительной точки зрения пропорциональна операции факториала от числа точек, что делает такой алгоритм неприемлемым уже для нескольких десятков точек даже на современных компьютерах.

Используемая в данной работе программа основана на приближенном алгоритме, вычислительная сложность которого почти линейно зависит от числа точек. Получаемое решение не оптимально, однако вполне приемлемо для практических целей, особенно при большом количестве точек.

В данном примере задача маршрутизации решается для количества точек N > 100.

Решение задачи дается в виде приближения. Из всего множества точек сначала соединяются те, которые стоят по периметру области (0-я хромосома). После обхода периметра идет прорастание хромосом внутрь массива. На экран монитора выводятся два параметра: L – пройденный путь в условных единицах, T – время обхода заданных точек.

Задача решается в трех вариантах.

1. Прокладка предметного маршрута, охватывающего множество точек без ограничений (число точек N > 100) (рис. 1).

2. Задача обхода при решетчатом расположении точек (число точек N > 100) (рис. 2).

3. Задача обхода при заданном расположении точек. В этом случае координаты точек вводятся с клавиатуры в виде столбца через знак пробела (число точек N – до десяти) (рис. 3). Например, для N=8: 50 50

75 80

120 110

165 50

250 100

100 280

150 200

50 300

В целях расширения представления понятия маршрутизации студентам предлагается ознакомиться с рядом демонстрационных файлов в системе MATLAB.

Сначала запустим MATLAB в версии 5.2 с помощью ярлыка (пиктограммы) Диспетчера программ или командной строки программного меню в среде MS DOS. Набрав команду «demo», входим в каталог и выбираем позицию «Прочее», из которой откроем последовательно два интересных с нашей точки зрения файла: «Коммивояжер» и «Глобус путешественника».

В файле «Коммивояжер» следует рассмотреть несколько случаев, соответствующих различному числу введенных точек (N > 100), оценить время, затраченное на обход точек, и обратить внимание на процесс исключения повторных посещений инспектируемых точек.

В файле «Глобус путешественника» следует рассмотреть ряд вариантов, которым соответствуют различные исходные и конечные координаты маршрута путешествий по карте мира и соответствующие им характеристики.

Затем запустим с помощью ярлыка Диспетчера программ систему MATLAB в версии 6.5. Набрав команду «demos», входим в каталог «Mapping» согласно адресу: Help Navigator \ TOOLBOXES \ Mapping.

В каталоге «Mapping» последовательно открываем три файла:

1. Animated Satellite Orbits,

2. Hidden Map Query Example,

3. Map Projections Comparison.

С помощью файла «Animated Satellite Orbits» на экран монитора выводятся нанесенные на карту мира трассы искусственного спутника Земли (ИСЗ) в зависимости от характеристик орбиты спутника (наклонение плоскости орбиты ИСЗ к экватору, расстояние в точках апогея и перигея, период обращения).

С помощью файлов «Hidden Map Query Example» и «Map Projections Comparison» можно получить необходимую информацию о размерах территории, народонаселении, полезных ископаемых, климате и т. д. для различных регионов на карте мира, а также их сравнительные оценки.

Маршрутизация в заданной области с прямоугольными препятствиями

Задача маршрутизации в данной постановке состоит в определении кратчайшего пути из точки старта в целевую точку назначения (финиша) с учетом расположения на рабочем поле заданного числа неперекрывающихся прямоугольных препятствий.

Такая постановка задачи наиболее характерна при прокладке трасс мониторинга в условиях городской застройки. Она может также с успехом применяться при проектировании печатных плат и в подобных задачах маршрутизации малого масштаба.

Для решения задачи маршрутизации с помощью данной программы необходимо ввести определенное число прямоугольных препятствий с заданными координатами левого верхнего и правого нижнего углов каждого препятствия, координаты начальной и конечной точек.

Диапазон значений: по “x” от 0 до 449, по “y” от 0 до 349.

Пример. Задано 2 объекта.

1-й объект: x1=150, y1=100

x2=225, y2=250

2-й объект: x1=300, y1=100

x2=375, y2=200

Start: x1=0, y1=0

Finish: x2=449, y2=349

На рис. 4 – 6 приведены распечатки для случаев одного, двух и трех прямоугольных препятствий с заданными координатами.

Адрес при работе на компьютере: MARSHRUT \ demo bat:

1. Обход препятствий – файл «a_sched exe»

2. Ввод исходных данных – файл «a_begin exe»

3. Фиксация оптимального пути – файл «lab exe» - Запуск 1

Инспекция двух заданных точек с запрещенными зонами

Задача маршрутизации заключается в определении маршрута инспекции двух заданных точек при наличии в области движения запрещенных зон в форме окружностей, нахождение в которых в течение заданного времени приводит к нежелательным последствиям с заданной вероятностью. Задачи маршрутизации такого рода могут возникать при прокладке трассы инспекции военных объектов и при экологическом мониторинге. В первом случае это связано с решением разведывательной задачи инспекции военных объектов, защищенных комплексами ПВО. Во втором случае это связано с решением задач экологического мониторинга, когда запрещенные зоны имеют смысл зон обитания (размножения) некоторых охраняемых видов животных. Можно также свести ее к задаче спасения терпящих бедствие в горах, где запрещенные области соответствуют горному рельефу. В используемой программе уже введено семь запрещенных зон (комплексов ПВО), которые обозначены фиолетовым цветом. К ним можно добавить несколько новых запрещенных зон, указав координаты центра, радиус, вероятность наступления нежелательных последствий (поражения), и обратить внимание на изменение найденного программой маршрута.

Например, добавлены две зоны: 1-я – x1=150, y1=100, радиус=100, вероятность=80%, время=1 мин; 2-я - x2=225, y2=300, радиус=105, вероятность=90%, время=3 мин. На рис. 7 – 9 приведены распечатки для соответствующих случаев.

Адрес при работе на компьютере: MARSHRUT \ demo bat:

1. Обход зон ПВО – файлы «airdrom dba», «init_imi exe».

2. Обход с новыми препятствиями, фиксация новой трассы – файл «lab exe» (ввод данных 2, Запуск 2).

Описание предметной области (картирование)

Задача описания предметной области (ПО) в данной работе показывает возможность использования формальных языков и экспертных систем при описании зон экологического мониторинга. Картирование представляет собой процесс отображения результатов измерений на карте. Адрес при работе на компьютере: MARSHRUT \ predm_ob bat.

Технология отображения предметной области состоит в последовательном описании на следующих языках:

• неформальном,

• формализованном,

• графическом языке и погружении в среду программирования.

В данной работе в качестве предметной области выбирается карта местности с ярко выраженными идеализированными элементами рельефа (объектами). Описание заключается в:

• правильном отыскании объектов,

• описании их характеристик,

• описании связей между объектами.

Описание ведется на формализованном языке. Погружение в программную среду происходит автоматически после завершения описания. При реализации данной задачи для каждого объекта задаются координаты центра (координаты экстремальной точки), направление и дальность этой точки от известной, а также два размера: по широте и долготе.

Понятия объектов и связей, которые используются для описания ПО.

Под объектами будем понимать некоторые элементы рельефа:

1. Гора.

2. Низменность.

Оба объекта имеют одинаковые характеристики:

• имя,

• высота (глубина),

• занимаемая область (ширина, длина).

Высота (глубина) объекта характеризуется высшей (низшей) точкой объекта. Границей объекта считается линия, отделяющая область с нулевой высотой от области с большей (меньшей) высотой.

/ Гора

Имя

\ Низменность

Предлагаемая для изучения программа содержит четыре фрагмента рельефа местности с различным числом объектов. Выбрав один из них, необходимо пронумеровать содержащиеся в нем объекты, определить их размеры и взаимное расположение согласно рекомендациям меню («Справочник», «Обработка», «Описание»).

Связи между объектами характеризуются направлением и расстоянием. В качестве направлений выбираются стороны света: Север, Юг, Запад, Восток, Северо-запад, Северо-восток, Юго-запад, Юго-восток. Расстояние измеряется в относительных единицах по шкале, расположенной сбоку от окна отображений. Для точного измерения расстояния следует пользоваться опцией меню «Обработка» и «Расстояние». Направление указывается относительно базовых объектов, которые в таблице связей располагаются в столбце «Опорные объекты».

На рис. 10-12 приведены распечатки для отдельных фрагментов рельефа местности и результаты соответствующей обработки данных.