Environmentálni informace a modelován Úvod do kurzu evropský sociální fond v ČR EVROPSKÁ UNIE MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ, MLÁDEŽE A TĚLOVÝCHOVY T7-T, OP Vzdělivinr pro konkurenceschopnost INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Inovace a rozšíření výuky zaměřené na problematiku životního prostředí na PřF MU (CZ.1.07/2.2.00/15.0213) spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky Praktické informace Den a rozsah: úterý, 13-15 hod Kurz se koná v počítačové učebně RECETOX ve 3. patře Kontakty na vyučující: komprdova@recetox.muni.cz ^^^^ komprda@recetox.muni.cz ^^^^^ Tel: 549 493 937 Konzultace: dle domluvy ZAKONČENÍ - písemná zkouška + projekt vypracovaný v ArcGIS Centrum pro výzkum toxických látek v prostred i Přehled přednášek a cvičení > Úvod do environmentálního modelování- přednáška > Geografické informační systémy - cvičení > Prostorové modelování - interpolační techniky - přednáška + cvičení > Modely atmosférického transportu, Receptorové a Rozptylové modely, environmentálni data- přednáška, cvičení > Boxové modely, environmentálni procesy, matematické řešení modelů - přednáška + cvičení Centrum pro výzkum toxických látek v prostred i Environmentálni informace, data a studie Výskyt a hladiny látek v životním prostředí Osud látek v prostředí (např. transport a distribuce) Monitoring časových a prostorových trendů různých jevů a skutečností Srovnání modelů s měřenými daty Rozhodování v oblasti životního prostředí, analýza nákladů a přínosů I Centrum pro výzkum toxických látek v prostred i / Terénnístudie .s. ČO "O c: Q5 Q5 Hypotézy, vědecké otázky Laboratorní experimenty Analýza dat (statistika) V/ Model \ V //ér Interpretace dat *— V Ověření/ zamítnutí hypotéz, odpověď na vědecké otázky, případně formulace nových hypotéz / otázek /^F*N\ Centrum pro výzkum (f*Jf toxických látek ^^(fcy/j/ v prostřed i Environmentálni data Laboratorními experimenty a terénními studiemi získáváme environmentálni data. Jsou to zaznamenané údaje o určitých skutečnostech životního prostředí. Vlastními experimenty a studiemi získáváme primární data. Agregací (tj. seskupením, sloučením) primárních dat dostaneme data agregovaná, která vypovídají o celcích (např. celkové emise polutantů z průmyslu v daném kraji) na základě údajů o částech (např. emise ze všech jednotlivých průmyslových provozů). Na obecnější úrovni než agregovaná data jsou indikátory (ukazatele) životního prostředí, které patří mezi nejčastěji používané nástroje pro hodnocení životního prostředí. Kvalitativní indikátory jsou spíše subjektivního charakteru (např. hodnocení strategie redukce emisí z pohledu obyvatel), kvantitativní indikátory jsou vyjádřeny číselným údajem (např. nárůst/pokles emisí za rok). Centrum pro výzkum toxických látek v prostred i Hřebíček a Kubásek, 2011 Různé typy dat rozlišujeme podle toho, jakých hodnot může daná skupina dat nabývat nebo jaké operace s nimi lze provádět. X kvalitativní (kategoriální): lze pouze určit, zda jsou dvě „hodnoty" stejné nebo se liší - např. typ půdy X sem i kvantitativní (ordinální): lze určit rovněž pořadí hodnot - např. teplota po stupních X kvantitativní (spojité): lze provádět všechny matematické operace, mohou mít intervalovou nebo poměrovou podobu - např. koncentrace látek X binární: lze je považovat za kvantitativní, semikvantitativní i kvalitativní proměnnou - výskyt/ nevýskyt látky (informace typu ANO/NE) /^F*N\ Centrum pro výzkum (f* J f toxických látek ^^(fcy/j/ v prostřed i Environmentálni informace Environmentálni informaci lze charakterizovat jako zobrazení dat, statistik či jiných kvantitativních a kvalitativních údajů, jež jsou nutné k hodnocení stavů a trendů změn prostředí, k formulaci a upřesňování environmentálni politiky a k účelovému využívání všech prostředků. Environmentálni informace jsou jakékoli informace v písemné, obrazové, zvukové, elektronické nebo jiné podobě o: X stavu složek životního prostředí (např. čistota ovzduší) X faktorech, které ovlivňují nebo mohou ovlivnit stav složek prostředí (např. emise do ovzduší) X opatřeních, které ovlivňují nebo mohou ovlivnit složky a faktory (např. programy na snižování emisí) X zprávách o provádění právních předpisů o životním prostředí X analýzách nákladů a přínosů použitých v rámci aplikace opatření (např. cena opatření vs. jeho efektivnost při snižování emisí) stavu lidského zdraví a bezpečnosti (např. nemocnost a kvalita života v oblastech se zhoršenou kvalitou ovzduší) Centrum pro výzkum toxických látek v prostred i Hřebíček a Kubásek, 2011 Environmentálni informační systémy Existují různé environmentálni informační systémy (EIS), které zpracovávají, vyhledávají a prezentují environmentálni data. V současné době využívají často formu webových portálů. EIS jsou budovány: X veřejnou správou na národní úrovni ▼ X veřejnou správou na mezinárodní úrovni X vědeckými institucemi X nevládními organizacemi x podnikatelskou sférou Protože řada dat a informací o životním prostředí má prostorovou povahu hrají stále důležitější roli geografické informační systémy, GIS (viz příslušná přednáška a cvičení). Rozsáhlý přehled informačních zdrojů pro ČR, Evropu i svět poskytuje studijní materiál Hřebička a Kubáska (2011). Centrum pro výzkum toxických látek v prostred i Příklad environmentálni databáze a informačního systému GENASIS poskytuje informace o persistentních organických polutantech: X jejich charakteristice X příslušných mezinárodních úmluvách X novinkách ze světa vědy a politiky X prostřednictvím interní databáze a analytického modulu poskytuje volný přístup k agregovaným datům X prostřednictvím odborné sekce podporuje uchopení a interpretaci výsledků monitoringu těchto látek Global Environmental Assessment Information System (GENASIS) Centrum pro výzkum toxických látek v prostred i Příkladem webového portálu nevládní organizace, která seznamuje se základními informačními zdroji o životním prostředí v ČR, je: http://arnika.org/iak-a-kde-naiit-informace-o-zivQtnim-prostredi-cr aRNiKA « láj Home O nás Nabízíme Ekoporadna Pro novináře E-shop Video Foto Home Články Jak a kde najit informace o životním prostředí ČR Podporte nás Vás kraj Pobočky Kontakt hledat... Q. Aktuality Smog zdarma pro všechny -poslanci rozhodli o zrušení poplatků za znečišťování Ostrava se má zazelenat za miliony Poslanci v pátek rozhodnou jestli největším viníkům smogu rozdají stamiliony Jak a kde najít informace o životním prostředí ČR Ing. Milan Havel -18.10.2010 Následující článek vás seznámí se základními Informačními zdroji o životním prostředí ČR. Muže Vám posloužit napríklad k porovnání Informací o stavu ovzduší, vody ČI půdy ve Vašem mésté s údaji za Českou republiku nebo s údaji za Váš kraj. Takovýto ucelený přehled dosud chyběl. Statistická ročenka životního prostředí ČR. Vydává MŽP a ČSÚ. Vychází 1 x ročně v tištěné podobě. Statistická ročenky jsou přístupná i na internetu. Naleznete je na stránkách CENIA, česká informační agentury životního prostředí v publikacích. Zpráva o životním prostředí ČR. Vydává MŽP. Vychází 1x ročně v tištěná podobě. Zprávy o životním prostředí jsou přístupná i na internetu. Naleznete je na stránkách CENIA, česká informační agentury životního prostředí v publikacích. Indikátory životního prostředí. Web provozovaný MŽP. Poskytne rychle základní přehled o situaci v jednotlivých oblastech životního prostředí v ČR. Nalezneme ho na adrese http://issar.cenia.cz. Stav životního prostředí v jednotlivých krajích ČR. Vydává MŽP. Vychází pouze v Nejbližší akce H Unor 2012 » Po Út St Čt Pá So Ne 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 m El 14 m 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 Jak správně topit st 15.02 - Kulturní dům Kopřivnice podepište Zfotogalerie (©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostred i Experimentální design Pokud jsme nenašli požadovaná data a informace, musíme je sami vytvořit. Design experimentu vyplývá z otázek, které chceme zodpovědět a/nebo hypotéz, které chceme ověřit nebo vyvrátit. Je zásadně důležitý pro průběh celé studie a podmiňuje interpretovatelnost a hodnověrnost výsledků. Soubor dat získáváme třemi způsoby: X laboratorní studie a X experimenty a odběry experimenty vzorků v terénu x kombinací obého Centrum pro výzkum toxických látek v prostred i Experimentální design Datový soubor, který hodnotíme, by měl být: X Dostatečně velký - tj. měl by obsahovat množství vzorků dostatečné pro popis situace, statistické vyhodnocení, spolehlivé modelování apod. X Reprezentativní - tj. měl by pokrývat celou oblast našeho zájmu; celý rozsah možností, které zkoumáme X Nezávislý - tj. design by měl být objektivní a nic nepreferovat X Získaný konzistentní metodologií - tj. měl by zaručit odběr/analýzu vzorků stejnou metodikou nebo srovnatelnými metodikami X Se signifikantní přesností - tj. měla by být získána takovými metodami, které jsou výrazně přesnější než variabilita souboru t PROBLÉM: v reálu tomu tak často není PROTO je nutné vše dobře plánovat! f Centrum pro výzkum toxických látek v prostred i Hengl (2007) Experimentální design - příklad Zavádění nové analytické metody v laboratoři pro stanovení různých koncentrací vybraného polutantu v několika environmentálních matricích. Soubor dat by měl splňovat tyto podmínky: X Dostatečně velký - soubor různých naspikeovaných koncentrací polutantu v matricích musí dostatečně pokrýt gradient znečištění X Reprezentativní - metodu je třeba vyzkoušet na všech matricích, které budou v budoucnu studovány X Nezávislý - existuje-li podezření, že metoda má horší výsledky u nízkých koncentrací polutantu, není možné je do studie nezahrnout x Získaný konzistentní metodologií - celý analytický postup musí být stále stejný, jak u zavádění metody, tak u její následné rutinní aplikace na reálné vzorky X Se signifikantní přesností - limity detekce a kvantifikace musí odpovídat reálným hladinám polutantu v prostředí Centrum pro výzkum toxických látek v prostred i Environmentálni modelování Stručný úvod (©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostred i „Všechny modely jsou v podstatě špatné, ale některé jsou užitečné." George Box, 1979 Model je zjednodušený svět nebo prostor, ve kterém se odehrávají různé interakce mezi jeho jednotlivými složkami. Model tento systém popisuje. Používají se tam, kde není možné získat informaci experimentem či chemickou analýzou, např. při studiu osudu látek v prostředí a s ním souvisejících procesů, předpovídání (predikci) koncentrací apod. /^F*N\ Centrum pro výzkum (f*Jf toxických látek ^^(fcy/j/ v prostřed i více viz Holoubek I.: Chemie životního prostředí I Lewis Fry Richardson zkoumal na počátku 20. století možnosti předpovědi počasí pomocí soustavy diferenciálních rovnic. V roce 1922 vydal knihu Weather Prediction by Numerical Process. Při jejím sepisování provedl během 1. světové války výpočetní pokus, kdy se pokusil předpovědět počasí na 8 hodin. Výpočet trval 6 týdnů a skončil nezdarem. Pro reálné řešení výpočetních nároků svého modelu uvažoval využít 64 000 techniků, kteří by výpočet dostatečně urychlili. Rozvoj environmentálního modelování je tedy spjat s rozvojem výpočetní techniky Centrum pro výzkum toxických látek v prostred i Základní rozdělení environmentálních modelů x Popisuje budoucí stav systému nebo jeho podmínek? ANO Dynamické modely - závislé na čase (spojité, diskrétni) NE Statické modely - nezávislé na čase X Popisují prostorovou strukturu? ANO Prostorově heterogenní (diskrétní, spojité) ^^^Í^^^H NE Prostorově homogenní modely X Zahrnuje náhodnou složku? ANO Stochastické modely NE Deterministické modely Modely se dále dělí dle velkého množství kritérií (viz další přednášky). Centrum pro výzkum toxických látek v prostred i Podle čeho vybírat model? Výběr modelu záleží na zkoumaném problému. Je třeba brát v potaz tyto aspekty: X povaha problému, hypotézy, řešené otázky X měřítko - např. velikost zkoumaného území X povaha dat, které jsou k dispozici - např. odlehlé hodnoty X velikost datového souboru, který je k dispozici - metody vhodné pro malé/velké soubory X přesnost modelu x interpretovatelnost modelu X a řadu dalších Každá metoda má své omezení, které je třeba zvážit (např. schopnost zacházet s odlehlými hodnotami, různými typy rozložení dat apod). Je třeba dávat pozor na to, aby model nebyl použitý nesprávně, např. na nevhodný typ dat. Centrum pro výzkum toxických látek v prostred i Nejistoty, se kterými se při modelování potýkáme, s nimiž je třeba počítat a které musíme znát, jsou zejména dvou typů: X Nejistoty proměnných (plynoucí z chyb při odběru vzorků a analýze v laboratoři, agregace dat, odečítání hodnot z map, designu experimentu apod...), které do modelu vstupují ^ X Nejistoty modelů samotných (konstrukce modelů, zjednodušující předpoklady...) Z těchto důvodů se výsledky modelů obvykle neshodují zcela přesně s naměřenými daty. /^F*N\ Cervtruirp pro výzkum (f*Jf toxických látek ^^(fcy/j/ v prostřed i > Prostorové modelování - interpolace > Modely atmosférického transportu látek r Boxové modely - procesy ^ /^F*N\ Centrum pro výzkum (f*Jf toxických látek ^^^^sf v prostřed i • Geostatistické metody určené zejména pro predikci koncentrace - hodnota koncentrace na novém místě, kde neproběhl odběr • Většinou potřeba velké množství dat z terénu, pokrývající gradient podmínek • Pro model nejsou potřeba fyz.-chem. vlastnosti látek, ale musíme znát vlastnosti prostředí Modely atmosférického transportu • Receptorové modely kombinují modelovaný pohyb vzdušných mas zpětně v čase s koncentracemi polutantů naměřenými v místě odběru vzorků (receptoru - příjemci). • Rozptylové (disperzní) modely se zaměřují na transport látek od známého zdroje, zřeďování koncentrace během transportu a predikci koncentrací látek v zájmových oblastech. • Potřeba znát meteorologii, topografii terénu i vlastnosti látek Disperzní (rozptylové) modelováni Znómv ĚmltĚ It situji ů iifnlmt popsat pohyb vidtiiných mas Wv zdroje na srtusti v jeho bezprostředním sdílených oblastech Receptorové modelování Centrum pro výzkum toxických látek v prostred i Príklad receptorového modelu: Určení možných zdrojových oblastí POPs pro regionální pozaďovou observatoř Košetice HCB GMSL ŕ < 0.010 0.011 0 020 0 021 ■ 0 030 (©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostred i KONCENTRACE BENZO{a}PYRENU VE VALAŠSKÉM MEZIŘÍČÍ VE SLEDOVANÝCH OBDOBÍCH ROKU 2006 1 2 4 Ě 1% 1 13 10 11 koncentrace Ba P .....~" 0.05 0.1 0.15 0,2 0.25 0.3 0.35 0.4 0,45 0.5 0.55 a 2 000 4 000 S 000 m Crdfej SAŇKA (3Ú PřF Mu, Brns. Í006 O. Sáňka Popisuje procesy - nutno znát fyzikálně chemické vlastnosti látek i parametry prostředí Založen na fyz. chemických rovnicích chemická látka se pohybuje mezi kompartmenty prostřednictvím transportních procesů To Ground Water Fifuť* 1. Ail illu-n irituji flt tfUtt-tAtlutrigt pEKtlttt zttodthd ut Iht CJTOX 1.? +*vwt-■-■iiuijTrtj trnm" «i m r>rum.íTi t iJ h-AiLbpcrl imí h ixru- tomu b mod rl. 4Grtmnd u-jiE«t ii- net rfSJilaCLtlv nťl£KÍŕl«L Lil rJ-iŕ-IVL-CMWlírf *^LlArlO*K blit Lt USVťt 111 thŕ + lit* i.lJfLlJ.l! i^lľ- ! (©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostred i Vhodná studijní literatura: XDeMers M.N. (2009) GIS For Dummies. Wiley, USA XHengl T. (2007) A practical guide to geostatistical mapping of environmental variables. EUR 22904 EN Scientific and Technical Research series, Office for Official Publications of the European Communities, Luxemburg. XHřebíček J., Kubásek M. (2011) Environmentálni informační systémy. Akademické nakladatelství Cerm, Brno Seznam webových zdrojů použitých obrázků: http://www.wikipedia.org/ http://staff.fcps.net/mbrooks/bio.htm http://www.nuigalwav.ie/microbiology/how to do it.html http://www.clker.com/ http://classroomclipart.com/ http://atoc.colorado.edu/-dcn/ATOC7500/ http://www.englishexercises.org/makeagame/viewgame.asp?id=400 http://www.allmvsterv.de/dateien/60808.1299325102,Nachdenken.gif?bc I Centrum pro výzkum toxických látek v prostred i Co jsou to geografické informačn systémy? (©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostred i to geografické informační systémy? Geografický informační systém (GIS) vytváří, ukládá, analyzuje spravuje a zobrazuje všechny typy prostorových dat. GIS kombinuje kartografii se statistickou analýzou dat a využívá k tomu databázových technologií. GIS nejsou pouze data a programy, nýbrž sestávají z těchto základních částí: o data a informace o hardware (počítače, scany, tiskárny) a software o koncepty analýzy dat o lidé (operátoři, manažeři, konzultanti a prodejci) o instituce a organizace, které používají GIS /^F*N\ Centrum pro výzkum (f*Jf toxických látek ^^(fcy/j/ v prostřed i GIS propojuje informace o tom, KDE různé objekty jsou s informacemi o tom, JAKÉ jsou. Abychom mohli plně využít potenciálu GIS, musíme se na řešenou environmentálni studii „podívat geograficky". Studované území chápeme jako mapovou kompozici, která znázorňuje vztahy mezi jednotlivými objekty v prostoru, např.: o vzdálenost mezi objekty o hustotu objektů v zájmové oblasti o tvar a geometrie objektů o velikost objektů o změnu tvarů objektů v čase o pohyb objektů v čase o a další phillip martin, info /^F*N\ Centrum pro výzkum (f*Jf toxických látek ^^(fcy/j/ v prostřed i Popis prostorových dat Většina GIS obsahuje databázové tabulky s různými typy popisných informací o zobrazených objektech. Úrovně popisu objektů jsou následující: o Nominální: jedná se o názvy objektů, např. název odběrové lokality o Ordinální: objekty lze hierarchicky porovnávat mezi sebou, např. odběrové lokality, které jsou reprezentativní pro malou, středně velkou a velkou oblast o Intervalová: vlastnosti objektů narůstají v měřitelných intervalech, např. teplota ovzduší v odběrové lokalitě. Hodnoty nelze dát do poměru, jelikož vztahová hodnota je subjektivně zvolená, tj. např. nelze říci, že teplota 15°C je 2x nižší než teplota 30°C o Poměrová: data mají vlastnosti, které lze změřit a zároveň dát do poměru, protože vztahová hodnota je objektivní, např. koncentrace látky ve vzorku z dané odběrové lokality (koncentrace 15 ng/g je dvakrát nižší než koncentrace 30 ng/g) o Skalární: pro popis zvolených dat si vytvoříme vlastní škálu hodnot, např. míra rizikovosti zvolené lokality dle počtu splněných (námi určených) kritérií Centrum pro výzkum toxických látek v prostred i Co s GIS můžeme vše dělat? Pro environmentálni a jakékoli jiné studie je důležité mít možnost: o zakreslit do mapy polohu různých objektů (např. odběrových lokalit) o zobrazit v mapě kvantitativní vlastnosti objektů (např. koncentraci látky zjištěné v odběrové lokalitě) o vybrat místa nebo objekty žádaných vlastností (např. odběrové lokality znečištěné nad zvolenou mez) o zjišťovat vztahy mezi jednotlivými objekty a místy (např. vzdálenost mezi nimi) o zobrazování hustoty (např. intenzity osídlení) o zjišťovat vzdálenosti (např. mezi odběrovou lokalitou a zdrojem znečistení) o sledovat změny v čase (např. změnu kontaminace vody v řece po havárii) o a řada dalších funkcí... Centrum pro výzkum toxických látek v prostred i Existují dva základní způsoby uchovávání a reprezentace dat v GIS: Rastr Vektor linie bod Zobrazení také závisí na vybraném souřadném systému Centrum pro výzkum toxických látek v prostred i Zdroje dat pro GIS Data pro studie v GIS získáváme několika způsoby: • průzkumem v terénu - nejstarší a nejdražší metoda - použití trigonometrických bodů (místa charakterizovaná přesnou hodnotou zeměpisné šířky, délky a výšky) • získávání dat z map - scanování je rychlá metoda, ale nedovede získat popisné informace k objektům na mapách - digitalizace map je náročná na čas, ale získává kvalitní data • dálkový průzkum Země Centrum pro výzkum toxických látek v prostred i Jak GIS pracují? V GIS jsou všechny objekty na mapách popsány v tabulce vlastností (anglicky attribute table) ■ Objekty na mapách mají všechny svou polohu, tvar, barvu a velikost QŇ) Attributes of OKRESY ü i- ^ i AREA PERIMETER NÁZEV OKRES □ B91 NUT 54 OB01 941533240 225521,594 Blanska 3701 10700; CZC?21 103039 1672120448 2494S4.7S1 Žďár n.S. 3714 124737 CZ 061 5 125970 1626072704 305562,469 České Budějovice 3301 173136 CZ0311 1S03B3 1031095104 270070,063 Strakonice 3307 71973 CZ0316 70225 SS39S&S00 251275,703 Přerov 330S 13B379 CZ0714 1365S7 1140912334 1S2E45.531 Vsetín 3310 146393 CZ0723 14769S 1515930032 296449,231 Třebíč 3710 117105 CZ0614 117615 1 373664064 257223,922 Prachatice 3306 50935 CZ0315 51639 1173149E04 260B12.75 Jihlava 3707 10S449 CZ 0612 10B959 796344000 244323,344 Kro měříž 3703 107933 CZ0721 103547 SB7S67904 217379,323 Vyškov 3712 66575 CZ0626 66300 230030672 114431,461 Brno-město 3702 CZ0622 379743 1947900000 390479,133 Jindřichův Hradec 33Q3 93043 CZ0313 93457 1031937456 202642,547 Zlín 3765 196329 CZ0724 1 SS'S3 — 1636B32256 263313,594 Znojmri 3713 113503 CZ0627 114533 ■mrywi ihr Rrn n.vpn ^7h^ 1 ViVi-j • k lil Record >> I n I Show: j All Selected Records (3 out of t GIS umožňují zjistit vlastnosti každého objektu na mapě a lokalizovat objekt s danou vlastností. Centrum pro výzkum toxických látek v prostred i Jak GIS pracují? Jednotlivé mapy jsou do GIS vkládány jako tzv. vrstvy (anglicky layers). V pořadí, v jakém jsou vloženy, se překrývají, což si lze představit jako vrstvení archů průhledných map na sebe. Smyslem překrývání vrstev je získání nové vrstvy, která obsahuje vybrané informace z vložených map (vrstev). Jejich kombinací vzniká nová informace, která zodpoví naše otázky. I Centrum pro výzkum toxických tátek v prostřed i Komerční: o http://www.esri.com/ - nejrozšířenější o http://\AAA/w.pbinsiqht.com/welcome/m o http://www.bentley.com/cs-CZ/ ^ o a řada dalších... o Open source: o http://vww.osqeo.org/ - nejrozšířenější o http://www.openjump.org/ o http://grass.itc.it/ o http://www.ggis.org/ o http://udig.refractions.net/ o a řada dalších... /^F*N\ Centrum pro výzkum (f*Jf toxických Látek ^^(fcy/j/ v prostřed i