1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1212570_28446780.jpg Adobe Systems logo_mu_cerne.gif 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 Environmentální informace a modelování Úvod do kurzu Alice Dvorská, Klára Komprdová, Jiří Komprda 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Organizace kurzu 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Praktické informace •Den a rozsah: pondělky, 12-14 hod • •Kurz se koná v počítačové učebně v 6. patře, Kamenice 3 • •Kontakty na vyučující: •alice.d@volny.cz •komprdova@recetox.muni.cz •komprda@recetox.muni.cz •Tel: 549 493 937 • •Konzultace: dle domluvy • •Budeme rádi za zpětnou vazbu! Externí vyučující: milan.havel@arnika.org 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Přehled přednášek a cvičení •1. Úvod do předmětu (20.2.2012, Dvorská, Havel) – přednáška, cvičení -organizace kurzu -environmentální studie, informace, data a jejich zdroje -stručný úvod do environmentálního modelování •2. Geografické informační systémy (27.2.2012, Dvorská) - přednáška, cvičení •3. Rozšířený úvod do environmentálního modelování, prostorové modelování I (5.3.2012, Komprdová) – přednáška •4. Prostorové modelování I (12.3.2012, Komprdová) – cvičení •5. Prostorové modelování II (19.3.2012, Komprdová) – přednáška •6. Prostorové modelování II (26.3.2012, Komprdová) – cvičení •7. Modely atmosférického transportu (2.4.2012, Dvorská) – přednáška •8. Receptorové modely, GIS (16.4.2012, Dvorská) – cvičení •9. Rozptylové modely, environmentální data (23.4.2012, Dvorská) – přednáška, cvičení •10. Boxové modely (30.4.2012, Komprda) – přednáška •11. Environmentální procesy, matematické řešení modelů (7.5.2012, Komprda) – přednáška •12. Boxové modely (14.5.2012, Komprda) – cvičení • •ZAKONČENÍ – písemná zkouška • - 1. 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Environmentální informace, data a studie 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Jak na to, když nás zajímá třeba… 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 ? 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Metodický postup u environmentálních studií 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Environmentální data Laboratorními experimenty a terénními studiemi získáváme environmentální 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). Hřebíček a Kubásek, 2011 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Environmentální data Strukturovaná data, která nesou informace o primárních datech, nazýváme metadata. Mají funkci popisnou, selekční a archivační, používají se především v souvislosti s elektronickými zdroji na internetu. Data jsou různě uspořádána a jsou mezi nimi určité vztahy – tj. mají strukturu. K modelování objektů a vztahů reálného světa prostřednictvím digitálních dat, která jsou uspořádaná tak, aby s nimi bylo možné efektivně manipulovat, slouží databáze. Databázi tvoří data a program pro práci s nimi. Databáze umožňují buď jen vyhledávání a čtení dat, nebo i jejich zápis. Hřebíček a Kubásek, 2011 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Typy dat * kvalitativní (kategoriální): lze pouze určit, zda jsou dvě „hodnoty“ stejné nebo se liší –např. typ půdy * semikvantitativní (ordinální): lze určit rovněž pořadí hodnot –např. teplota po stupních * kvantitativní (spojité): lze provádět všechny matematické operace, mohou mít intervalovou nebo poměrovou podobu –např. koncentrace látek * binární: lze je považovat za kvantitativní, semikvantitativní i kvalitativní proměnnou –výskyt/ nevýskyt látky (informace typu ANO/NE) • Různé typy dat rozlišujeme podle toho, jakých hodnot může daná skupina dat nabývat nebo jaké operace s nimi lze provádět. 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Kvalita environmentálních dat * Věcné správnosti získaných dat * Spolehlivosti prostředků sběru dat * Časovém vymezení měřených hodnot * Dostupnosti archivovaných dat * Připravenosti dat pro další analýzy (tj. jejich kompatibilita) Pro úspěšné provedení studie a zodpovězení hypotéz je nutné mít k dispozici kvalitní data. Kvalitou dat rozumíme jejich přesnost, správnost, aktuálnost, úplnost a relevanci. Je závislá na: Kvalita environmentálních dat bývá mnohdy určována i frekvencí prováděných měření či pozorování. Hřebíček a Kubásek, 2011 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Používání environmentálních dat Datům je třeba dostatečně rozumět tak, aby jejich zpracování a interpretace dávaly smysl. Vztahy mezi daty (tj. jejich struktura) se řídí pravidly daného vědního oboru. Je třeba mít příslušné znalosti proto, aby bylo možné je interpretovat. Při analýze dat se postupuje následovně: Při analýze a zpracování dat je proto často nutná mezioborová spolupráce mezi osobami data zpracovávajícími (statistika, informatika) a odborníky z vědní disciplíny, k níž data přísluší (chemie, biologie apod). * rozpoznání struktury dat * analýza a ověření této struktury * identifikace příčin a důsledků struktury dat na základě znalostí daných dat * použití poznatků v dané vědní disciplíně (např. pro predikci situace v budoucnu či plánování) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Environmentální informace Environmentální 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 environmentální politiky a k účelovému využívání všech prostředků. Environmentální informace jsou jakékoli informace v písemné, obrazové, zvukové, elektronické nebo jiné podobě o: * stavu složek životního prostředí (např. čistota ovzduší) * faktorech, které ovlivňují nebo mohou ovlivnit stav složek prostředí (např. emise do ovzduší) * opatřeních, které ovlivňují nebo mohou ovlivnit složky a faktory (např. programy na snižování emisí) * zprávách o provádění právních předpisů o životním prostředí * 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) Hřebíček a Kubásek, 2011 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Environmentální informační systémy Kvalitní a včasné informace jsou nutné pro správné a efektivní rozhodování o otázkách týkajících se životního prostředí. Klíčovým problémem není v současnosti nedostatek environmentálních dat, ale způsob jejich organizace, sběru, vytěžování, ověřitelnosti a dostupnosti. Informační systém je komplexem: * informací * lidí * použitých informačních technologií * organizace práce * řízení chodu systému * prostředků a metod sloužících ke sběru, přenosu, uchování a zpracování dat za účelem tvorby a prezentace informací Hřebíček a Kubásek, 2011 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif * veřejnou správou na národní úrovni * veřejnou správou na mezinárodní úrovni * vědeckými institucemi * nevládními organizacemi * podnikatelskou sférou • Environmentální informační systémy Existují různé environmentální informační systémy (EIS), které zpracovávají, vyhledávají a prezentují environmentální data. V současné době využívají často formu webových portálů. EIS jsou budovány: 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 Hřebíčka a Kubáska (2011). 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Příklad environmentální databáze a informačního systému Global Environmental Assessment Information System (GENASIS) http://www.genasis.cz GENASIS poskytuje informace o persistentních organických polutantech: * jejich charakteristice * příslušných mezinárodních úmluvách * novinkách ze světa vědy a politiky * prostřednictvím interní databáze a analytického modulu poskytuje volný přístup k agregovaným datům * prostřednictvím odborné sekce podporuje uchopení a interpretaci výsledků monitoringu těchto látek 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Jak hledat informace o životním prostředí v ČR? Příkladem webového portálu nevládní organizace, která seznamuje se základními informačními zdroji o životním prostředí v ČR, je: http://arnika.org/jak-a-kde-najit-informace-o-zivotnim-prostredi-cr viz dnešní cvičení… 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Experimentální design * laboratorní studie a experimenty • • • • 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: * experimenty a odběry vzorků v terénu * kombinací obého 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Experimentální design * Dostatečně velký – tj. měl by obsahovat množství vzorků dostatečné pro popis situace, statistické vyhodnocení, spolehlivé modelování apod. * Reprezentativní – tj. měl by pokrývat celou oblast našeho zájmu; celý rozsah možností, které zkoumáme * Nezávislý – tj. design by měl být objektivní a nic nepreferovat * Získaný konzistentní metodologií – tj. měl by zaručit odběr/analýzu vzorků stejnou metodikou nebo srovnatelnými metodikami * Se signifikantní přesností – tj. měla by být získána takovými metodami, které jsou výrazně přesnější než variabilita souboru Datový soubor, který hodnotíme, by měl být: Hengl (2007) PROBLÉM: v reálu tomu tak často není PROTO je nutné vše dobře plánovat! ! ! Se signifikantní přesností - jednotlivá měření environmentálních proměnných by měla být získána takovými terénními měřeními, které jsou významně přesnější než je přírodní variabilita. Napr. Detekcni limity 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 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: * Dostatečně velký – soubor různých naspikeovaných koncentrací polutantu v matricích musí dostatečně pokrýt gradient znečištění * Reprezentativní – metodu je třeba vyzkoušet na všech matricích, které budou v budoucnu studovány * Nezávislý – existuje-li podezření, že metoda má horší výsledky u nízkých koncentrací polutantu, není možné je do studie nezahrnout * Získaný konzistentní metodologií – celý analytický postup musí být stále stejný, jak u zavádění metody, tak u její následné rutinní aplikace na reálné vzorky * Se signifikantní přesností – limity detekce a kvantifikace musí odpovídat reálným hladinám polutantu v prostředí Spikeování = není to tam, přidám to tam (do čisté matrice). Tím zjišťuji, jestli metodou, kterou byl vzorek zpracován (např. extrakce), je možné zanalyzovat naspikeovanou koncentraci. Spikeují se různé matrice, např. artificiální půda a přečištěný PUF Pokud je v prostředí často koncentrace např. 0,5 ng/g, nemůže být LOQ 0,5 ng/g 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Environmentální modelování Stručný úvod C:\Documents and Settings\alice\Plocha\Obrázek1.png 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Co je to model? 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. více viz Holoubek I.: Chemie životního prostředí I „Všechny modely jsou v podstatě špatné, ale některé jsou užitečné.“ George Box, 1979 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Počátky environmentálního modelování 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 Richardsonova numerická metoda se pro předpověd počasí používá i dnes. 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Základní rozdělení environmentálních modelů * Popisuje budoucí stav systému nebo jeho podmínek? ANO Dynamické modely - závislé na čase (spojité, diskrétní) NE Statické modely - nezávislé na čase * Popisují prostorovou strukturu? ANO Prostorově heterogenní (diskrétní, spojité) • NE Prostorově homogenní modely * Zahrnuje náhodnou složku? ANO Stochastické modely • NE Deterministické modely • • •Modely se dále dělí dle velkého množství kritérií (viz další přednášky). • 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Podle čeho vybírat model? * povaha problému, hypotézy, řešené otázky * měřítko – např. velikost zkoumaného území * povaha dat, které jsou k dispozici – např. odlehlé hodnoty * velikost datového souboru, který je k dispozici - metody vhodné pro malé/velké soubory * přesnost modelu * interpretovatelnost modelu * a řadu dalších Výběr modelu záleží na zkoumaném problému. Je třeba brát v potaz tyto aspekty: 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. 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Proces modelování * design vzorkování a zpracování dat (z literatury, předešlých experimentů) * terénní sběr dat a laboratorní analýzy * analýza datového souboru a tvorba modelu * kalibrace a validace modelu * použití modelu * interpretace modelu, jeho srovnání s realitou Proces environmentálního modelování sestává z následujících kroků: Proces modelování není jen samotným výpočtem, ale je to komplexní proces, kterému předchází celá řada kroků 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Nejistoty modelů * 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 * Nejistoty modelů samotných (konstrukce modelů, zjednodušující předpoklady…) Z těchto důvodů se výsledky modelů obvykle neshodují zcela přesně s naměřenými daty. Nejistoty, se kterými se při modelování potýkáme, s nimiž je třeba počítat a které musíme znát, jsou zejména dvou typů: 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Typy modelů, kterými se budeme v kurzu zabývat * Prostorové modelování * Modely atmosférického transportu látek * Boxové modely Více se dozvíte v následujících přednáškách a cvičeních! 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Zdroje Vhodná studijní literatura: * DeMers M.N. (2009) GIS For Dummies. Wiley, USA * Hengl 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. * Hřebíček J., Kubásek M. (2011) Environmentální informační systémy. Akademické nakladatelství Cerm, Brno Seznam webových zdrojů použitých obrázků: http://www.wikipedia.org/ http://staff.fcps.net/mbrooks/bio.htm http://www.nuigalway.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.allmystery.de/dateien/60808,1299325102,Nachdenken.gif?bc