Михалевська Т.В., Ісаєнко В.М., Гроза В.А. Основи статистичного обліку і банки інформації в екології. НАУ-друк, 2009

Подождите немного. Документ загружается.

Контроль системи Збирання даних

Первинна обробка, наповнення бази даних

Модель біогеосистеми

Формування бази знань

Прогнозування стану біогеосистеми

Оцінка стану біогеосистеми і прийняття рішень

Візуалізація інформації

Глобальна геоінформаційна моніторингова система

БАЗА ДАНИХ

МЦГГІМ

Розроблення й удосконалення

інформаційних технологій

Обслуговування

інформаційних мереж зв’язку

з центрами моніторингу

Супутники, літальні,

плаваючі та стаціонарні

лабораторії

Уряди, організації,

населення

ВИМІРЮВАЛЬНІ

СИСТЕМИ

КОРИСТУВАЧІ

ІНФОРМАЦІЇ

Рис. 2.5. Концепція міжнародного центру глобального

геоінформаційного моніторингу (МЦГГІМ)

У процесі експлуатації глобальної ГІМС уточнюються ключові ха-

рактеристики топографії земної кулі, синоптичної обстановки в енерго-

активних зонах, вмісту небезпечних забруднювачів атмосфери в ха-

рактерних широтних поясах та повідомлення про катастрофи. Вхід-

ною інформацією для ГІМС є сукупність нерегулярних у просторі й

уривчастих у часі даних вимірювань геофізичних, геохімічних, еко-

логічних, біологічних та синоптичних характеристик. Вимірювання

здійснюються в різних діапазонах хвиль, використовують різні ал-

фавіти і точність записів. У рамках ГІМС відбувається узгодження

отриманих вимірів з іншими блоками за допомогою алгоритмічних

процедур первинної обробки даних. Об’єм цих даних буде скорочу-

ватись у процесі функціонування ГІМС. На вході ГІМС також пе

редбачається можливість сприйняття сигналів від сценаріїв антропо-

генного розвитку ситуацій, що вивчаються. Модель ГІМС зображено

концептуальною схемою на рис. 2.6.

ЕКОГЕОСИСТЕМА ЗЕМЛІ

Національні системи

моніторингу

Концептуальні описи

глобальних процесів

окремими науками

ГЕОІНФОРМАЦІЙНА МОНІТОРИНГОВА СИСТЕМА

Глобальні моделі

Рис. 2.6. Місце і роль ГІМС-технології в дослідженні екогеосистеми Землі

Взаємозв’язок вхідних і вихідних параметрів здійснюється через

композицію інформаційних потоків. ГІМС функціонує в адаптова-

ному режимі, і кінцевий результат системи впливає на вхідні харак-

теристики її вимірювальної частини. Математичні компоненти

ГІМС подано на рис. 2.7. Тут всі біогеохімічні та біогеоценотичні

процеси описуються системами балансових рівнянь. При цьому зна-

чна частина процесів

, що погано параметризуються, описується за

допомогою методу еволюційного моделювання, орієнтованого на

безформульну параметризацію сильно нестаціонарних процесів.

МОДЕЛЬ ГЛОБАЛЬНИХ ПРИРОДНИХ ПРОЦЕСІВ

Банк сценаріїв

антропогенної

активності

Модель клімату Модель біосферних процесів

Сервісне програмне

забезпечення

База даних про

навколишнє середовище

Кругообіг води

Динаміка

атмосфери

Кругообіг енергії

Моделі біогеохімічних

процесів

Азот

Сірка

СО

Метан

Фосфор

Озон

Моделі біогеоценотичних процесів

Біота океану

Біота суші

Кисень

Вуглеводні нафти

Радіонукліди

Важкі метали

Рис. 2.7. Концепція глобального моделювання як засобу вивчення

причинно-наслідкових зв’язків у навколишньому середовищі

Спосіб функціонування ГІМС зображено на рис. 2.8.

Прийняття рішень

про вплив на

біогеосистему

Імітаційний стан

біогеосистеми

БІОГЕОСИСТЕМА ЗЕМЛІ

(біосфера, геосфера, клімат)

Поточні спостереження за

функціонуванням

біогеосистеми та її

компонентів

Апріорна

інформація

(передісторія,

накопичені знання)

Планування

спостережень

Оцінка тренду та

відхилення прогнозного

стану біогеосистеми

Збирання, зведення та

первинний аналіз даних

спостережень

Оцінка

інформації

База даних

МОДЕЛЬ ГЛОБАЛЬНИХ ПРОЦЕСІВ У НАВКОЛИШНЬОМУ СЕРЕДОВИЩІ

Рис. 2.8. Концепція моніторингу навколишнього середовища

Завдання оцінки екологічної безпеки може бути сформульоване мо-

вою математики з використанням методів теорії складних систем і тео-

рії живучості. Позначимо через А національну систему країни. Система

А взаємодіє з іншими подібними системами, що мають різне просторо-

ве розміщення. Для простоти позначимо всі інші системи символом В.

Інакше кажучи, решту країн

будемо ототожнювати в першому набли-

женні з єдиною системою В. Далі цю ситуацію можна ускладнити вве-

денням багатьох систем, з якими взаємодіє система А.

Системи А і В мають цілі, структури та поведінку (стратегії). Мета

()AB

системи ()AB полягає у її прагненні досягти певних станів. Цілі

можуть мати багатогранний ієрархічний характер. Параметричне зоб-

раження мети є одним із важливих завдань. Прикладом можливого зоб-

раження можуть бути такі компоненти мети системи

А:

— інтегральний показник Q якості навколишнього середо-

вища всієї території країни не може бути нижчим за деякий поріг

q ;

2A — гранично допустимі концентрації ( , ), 1, 2, ...,

Ci j j m=

речовин не можуть порушуватися на

-й частині території країни в

середовищі

i ( 1=i — ґрунти, 2=i — вода, 3=i — атмосфера);

3A — економічний потенціал країни за час tΔ має зрости на s

відсотків.

Цілі

B системи

можуть бути до A антагоністичними, нейт-

ральними або коаліційними. Ці відношення визначаються видом

критеріальних функцій для обох сторін.

Доцільність структури

()

A B та цілеспрямованість поведінки

)(BA системи )(BA оцінюється ефективністю, з якою система

досягає своїх цілей.

Поведінки систем можуть сприяти, не перешкоджати або проти-

діяти досягненню системами своїх цілей і цілей іншої системи. В пер-

шому випадку пару систем можна розглядати як одну систему із за-

гальною метою, що взаємодіє з рештою систем. В інших випадках

говорять про

взаємовідношення систем.

Оскільки системи означають національні екологічні системи, то

природно ввести деякі положення про способи їх взаємодії. Такі си-

стеми є відкритими і їх взаємодію можна уявити у формі обміну де-

якими ресурсами (фінанси, технічні засоби, природні ресурси тощо).

Формалізувати це можна через введення деякого ресурсу

V , що ви-

трачається системою, і ресурсу

W , що споживається системою. В ре-

зультаті між системами відбувається (, )

VW -обмін, тобто кожна си-

стема прагне за мінімальну кількість

V отримати якомога більшу

кількість

W, яка є функцією структури і поведінки систем, що взає-

модіють:

()

WWV, A , B ,A,B WA,B.== (2.1)

У результаті взаємодія систем

математично розв’язується

методами теорії ігор і зводиться до таких співвідношень (моделі):

()

{}

()

,,,minmax,,

BAVWBAVWW

оoaa

== (2.2)

()

{}

()

,,,minmax,,

BAVWBAVWW

оobb

== (2.3)

де

A і

B — оптимальні системи.

З (2.2) і (2.3) випливає, що для визначення своїх цілей кожній си-

стемі необхідно вирішити, що для неї важливо: чи мати найвигідні-

ший (, )VW -обмін, чи перешкодити це зробити іншій системі. При

цьому системи можуть варіювати значення (, )VW -обмінів у деяких

межах

112 2

WWWWWW≤≤ ≤≤,

де

відповідають максимально агресивним станам систем, а

W і

W — найбільш обачним.

Якщо цілі систем відомі, то ситуація цілком визначена. Якщо ж

кожна система або одна з них приховує свої наміри, то ситуація но-

сить характер гри відносно вибору мети.

Позначимо через

A і

),...,1;,...,1( mjni == набори цілей

систем

A і

відповідно. Цілі

A і

B полягають у завданні мак-

симального збитку іншій системі (найвища агресивність), а цілі

B відповідають крайній обережності обох систем (найбільше

сприяння). Решта цілей розташовані за шкалами

{

}

i та

{

}

j в по-

рядку переходу від

A (

) до

A (

). Припускаючи, що в ситуа-

ції

{

}

AB системи отримують виграш

aij

Wa= і

bij

Wb= , діста-

немо біматричну гру на визначення оптимальної мети з платіжними

матрицями

a і

b . У частинному випадку при

WW −= гра

стає антагоністичною.

В загальному випадку ситуацію треба вивчати у ймовірнісному

просторі, тобто необхідно оцінювати ймовірність

),( WVP досяг-

нення кожною системою своєї мети. Більше того, необхідно розгля-

дати різні прояви в поведінці систем: надійність, інформативність,

керованість, здатність до навчання.

У елементів систем мають бути різні функції та призначення: за-

хисні, життєво важливі.

У доповнення до рівнянь (2.1) — (2.3) необхідно розглядати ди-

намічні співвідношення, що описують залежність параметрів систе-

ми

від часу. В цьому випадку математично завдання оцінки рівня

екологічної безпеки території країни зводиться до диференціальної гри.

На національному рівні має місце багатокритеріальність. Держа-

ва повинна піклуватися про дотримання цілком визначених санітар-

но-гігієнічних нормативів у заданих кліматичних ситуаціях. Ці си-

туації слід прогнозувати, вони мають виступати у вигляді початко-

вих

умов системи оцінки екологічної безпеки. Якість навколишньо-

го середовища є складною функцією температури T, швидкості вітру

U, сумарного вмісту важких металів у воді E, повітрі D і ґрунтах G;

вмісту газу S

— типу k (k = 1, …, N ) в атмосфері; біомаси рослин-

ного покриву M та інших параметрів:

( , , , , , ,..., ).

QQTMUDGS S=

Аналогічно задаються функціональні залежності

),( jiL інших

характеристик навколишнього середовища від природних і антропо-

генних параметрів. Більше того, деякі з цих параметрів можна звес-

ти до вигляду функцій від інвестиційної політики держави. Напри-

клад, вводяться розміри інвестицій в боротьбу із забрудненням, у

розвиток сільського господарства, в будівництво доріг, у розвиток

нових технологій тощо. Від цих параметрів

залежать показники яко-

сті навколишнього середовища і завдання зведеться до пошуку оп-

тимальної інвестиційної політики.

Сукупність моделей динаміки параметрів довкілля та оптиміза-

ційних співвідношень визначають задачу синтезу національної полі-

тики у сфері природоохоронної діяльності з урахуванням відповід-

них політик сусідніх держав і всієї світової спільноти.

Таким чином, першочергове завдання полягає в

конкретизації ці-

льових функцій та їхніх залежностей від параметрів з урахуванням

внутрішньої та зовнішньої національної стратегії у сфері екологіч-

ного моніторингу. Математично завдання зводиться до крайової за-

дачі для системи диференціальних рівнянь параболічного вигляду.

При цьому система рівнянь опише динаміку забруднень на території

держави, а крайові умови будуть визначатися з

урахуванням страте-

гій поведінки прилеглих територій. Розв’язки крайової задачі ввій-

дуть у співвідношення (2.1)—(2.3), з яких остаточно визначиться

екологічна безпека.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1. Поясніть концепцію міжнародного центру глобального геоінформа-

ційного моніторингу.

2. Обґрунтуйте місце і роль ГІМС-технології в глобальних екологічних

дослідженнях.

3. У чому полягає концепція глобального моніторингу навколишнього

середовища?

3.1. Предмет і метод статистики

Світ, що оточує нас, наповнений інформацією, яка стає частиною

дійсності та нашої свідомості. Без адекватних технологій аналізу

даних людина виявляється безпорадною в жорстокому інформацій-

ному середовищі, не маючи можливості правильного прийняття рі-

шення. Саме статистика дає змогу компактно описати дані, зрозумі-

ти їх структуру, провести класифікацію, побачити закономірності в

хаосі випадкових

явищ. Як не дивно, але навіть найпростіші методи

аналізу даних допомагають суттєво прояснити складну ситуацію,

яка спочатку вражає нагромадженням цифр.

Так що ж таке статистика?

Термін

«статистика» походить від латинського слова «status»,

що означає «визначений стан речей». У сучасному розумінні термін

«статистика» має декілька значень:

¾ під статистикою розуміють практичну діяльність статистич-

них установ, які збирають й обробляють інформацію про різні яви-

ща і процеси, у тому числі і в навколишньому середовищі;

¾ під статистикою розуміють також сукупність показників, що

характеризують певні статистичні сукупності з різних галузей знань.

Нас при цьому цікавлять знання екологічного напряму. Наприклад,

відомості про викиди шкідливих речовин в атмосферу;

¾ під статистикою розуміють окрему галузь науки, яка має свій

предмет і метод дослідження.

Між статистичною наукою і практикою існує тісний зв’язок і за-

лежність. Статистична наука використовує дані практики, узагаль-

нює їх і розробляє методи проведення статистичних досліджень.

Таким чином виникають специфічні методи, що застосовуються для

аналізу статистичних даних у

різних галузях науки: екології, кліма-

тології, геології, біології тощо. Своєю чергою, в практичній діяльно-

сті застосовуються теоретичні положення статистичної науки з ура-

хуванням специфіки об’єкта дослідження.

ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ СТАТИСТИКИ.

МЕТОДИ СТАТИСТИЧНОГО

СПОСТЕРЕЖЕННЯ, ЗВЕДЕННЯ

І ГРУПУВАННЯ

РОЗ

ІЛ

Статистика в Україні

Функції, права й обов’язки державної статистики України регла-

ментуються Законом України «Про державну статистику». Цей За-

кон регулює правові відносини в галузі державної статистики, ви-

значає права і функції органів державної статистики, організаційні

засади здійснення державної статистичної діяльності задля отри-

мання всебічної й об’єктивної статистичної інформації щодо еконо-

мічної

, соціальної, демографічної й екологічної ситуації в Україні

та її регіонах і забезпечення нею держави та суспільства. Державна

політика в галузі статистики спрямована на створення єдиної сис-

теми обліку та статистики на всій території України та її узгодження

з міжнародними стандартами і методологією.

Розділи i галузі статистики в Україні за даними Держкомстату

розподіляються таким чином:

• макроекономічна статистика;

• статистика виробництва;

• міжгалузева статистика підприємств;

• статистика послуг;

• статистика сільського господарства та навколишнього середо-

вища;

• статистика торгівлі;

• статистика праці;

• статистика населення;

• статистика цін.

Для координації дiяльностi статистичних служб країн-членів

СНД у 1992 р. було створено Статистичний комітет Співдружності

Незалежних Держав. Він виконує функції з координації дiяльностi

статистичних органів цих країн, забезпечує формування зведених

статистичних даних, необхідних для взаємодії держав-членiв СНД у

політичній, соцiально-економiчнiй та

екологічній сферах.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1. Який закон регламентує функції, права й обов’язки державної ста-

тистики України?

2. Які значення має термін «статистика»?

3. Яка галузь державної статистики вивчає екологічні проблеми?

3.2. Основні категорії статистики

Усі природні та соціально-економічні явища пов’язані між со-

бою. Пізнати закономiрнiсть одного явища можна лише у тому ви-

падку, коли воно вивчається разом з іншими явищами, що мають

вплив на нього. Закономiрностi масового явища не можна вивчати

на прикладі окремого спостереження. Наприклад, не можна робити

висновки

про закономiрнiсть спiввiдношення народжуваних дівча-

ток та хлопчиків узагалі, спираючись лише на одиничне спостере-

ження одного пологового будинку за один день. Для разового спо-

стереження — це випадкова величина, яка може набути те чи інше

значення із числа можливих. Лише у множинних спостереженнях

ми отримаємо те, що

число народжуваних хлопчиків i дівчаток є

закономiрнiстю, яка полягає в даному випадку в тому, що кількість

народжуваних дітей різної статі приблизно однакова.

Закономірність, для якої кожне окреме явище випадкове, а в ма-

совому явищі проявляє себе як закон, прийнято називати

статис-

тичною закономiрнiстю

Законом великих чисел називається властивість статистичної за-

кономiрностi явищ проявлятися лише в масовому спостереженні

цих явищ і не залежати від окремого одиничного елемента. При

цьому чим більше елементів явища розглядається, тим краще прояв-

ляє себе об’єктивна закономірність. На законі великих чисел буду-

ється теорія ігор.

Завдання статистики полягає у виявленні закономi

рностi явища

на основі множинних даних про кожен окремий випадок.

Статистична сукупність — це множина елементів, яка харак-

теризується за певною, притаманною кожному елементу множини,

властивістю.

Статистична одиниця сукупності — це елемент множини,

який має всі властивості, притаманні сукупності (процесу, що ви-

вчається).

Таким чином, завдання статистики полягає у виявленні зако-

номiрностi на фоні випадковості, наприклад, виявлення зако-

номiрностi фізичного закону зв’язку між тиском, температурою i

об’ємом при випадковому русi молекул.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1. Що називають статистичною закономірністю та статистичною

сукупністю?

2. Поясніть, у чому полягає дія закону великих чисел.

3. Наведіть приклади дії закону великих чисел.

3.3. Ознаки та їх класифікація

Кожна одиниця сукупності наділена певними властивостями. Пе-

вні властивості кожної одиниці статистичної сукупності прийнято

називати

ознаками. Наприклад, можна розглянути статистичну су-

купність підприємств певного регіону або галузі. Їх можна характе-

ризувати за кількістю років неперервної роботи, за потужністю ос-

новного обладнання, за числом робочого персоналу, за площею бу-

дівель, за розміром твердих відходів, за об’ємом викидів у атмосферу

та ін. Кожну з цих характеристик називають

загальним словом ознака.

За характером вираження ознаки поділяють на описові та кількісні.

Описові ознаки — виражаються словом.

Кількісні ознаки — виражаються числом. Наприклад, кiлькiсть

об’єктів забруднення довкілля по регіонах України.

Первинні ознаки — це абсолютні величини, що характеризують

ознаки i можуть бути здобуті вимірюванням, рахуванням, зважуван-

ням та ін. Наприклад, концентрації викидів в атмосферу за

об’єктами забруднення.

Вторинні ознаки — дістають через розрахунки з використанням

первинних ознак. Вторинні ознаки являють собою спiввiдношення

первинних ознак. Наприклад, якщо чисельність дітей, які народили-

ся в Україні протягом певного періоду, поділити на чисельність жі-

нок i помножити на 10 000, то матимемо чисельність народжуваних

дітей на 10 000 жінок. Слід пам’ятати, що вторинні ознаки в жодно-

му разі не є другорядними.

Стосовно об’єкта, що вивчається, ознаки ділять на прямі i непрямі.

Прямі ознаки — це властивості об’єкта, що вивчається.

Непрямі ознаки — це властивості не самого об’єкта, а інших су-

купностей, що належать цьому об’єкту.

За характером варiацiї ознаки поділяються на альтернативні,

дискретні i неперервні.

Альтернативні ознаки — це ознаки, які можуть набувати лише

двох протилежних за змістом значень. Наприклад, у викладача ста-

тистики є навички користувача ПЕОМ. Альтернативна ознака —

викладач статистики не має таких навичок. Другий приклад: ознака —

студент склав іспит, а альтернативна ознака — не склав.

Дискретні ознаки — це кiлькiсні ознаки, що можуть набувати

лише окремих значень, які можна перелічити (пронумерувати). На-

приклад, число студентів групи, які склали іспит зі статистики на

відмінно, число підприємств Києва, що в 2007 р. пройшли екологіч-

ний аудит.

Неперервні ознаки — це кількiснi ознаки, можливі значення

яких безперервно заповнюють деякий проміжок i їх не можна пере-