Vectorial-Criterion-BasedAssessment of Ecological State ofthe Natural-Engineering System

Authors

  • M. G. Kurguzkin AI Directorate of the Ministry of Natural Resources of the Udmurt Republic
  • P. M. Kurguzkin Kalashnikov Izhevsk State Technical University

DOI:

https://doi.org/10.22213/2410-9304-2023-1-115-124

Keywords:

neural networks, pollution vectorial criterion, principal components analysis, correlation of pollution indicators, pollution assessment criteria, ecological monitoring, Natural-engineering system

Abstract

The article deals with the issues of assessing the ecological state of the territory of natural-engineering systems as the critical indicator of their stability. A brief analysis of the natural environment pollution assessment criteria based upon the scalar convolutions of ecological monitoring data arrays is provided. It is stated that neglecting mutual correlation of the pollution indicators being measured in the course of ecological monitoring reduced informative value of the mentioned criteria. Instructional aspects of plotting the territory pollution assessment criterion based upon dimension reduction and de-correlation of the ecological monitoring data array is presented. The results of monitoring the soil mantle pollution at the territory of the local natural-engineering system comprising the chemical weapons destruction facility and the natural environment within the boundaries of the protective action zone are taken as the example. The results of use of the Principal Components Analysis for dimension reduction and de-correlation of the monitoring data array are presented. The possibility of substituting three principal components for eleven pollution indicators without sacrificing the acceptable informative value of description is presented. Switch to orthogonal basis in the principal components’ space allows reviewing the values of the latter at the point as the projection in general case of a multi-dimensional vector which is called the damage vector and can be used as the integrated indicator of pollution. The options of pollution assessment on the basis of comparison of the current and initial moduli of the pollution vector as well as with the use of the surface of critical pollutions is considered. The possibility to simplify the structure of neural networks for forecasting the pollution degree by means of the neural network’s single output parameter in the form of the pollution vector is provided. The example of using the neural network trained on the soil mantle background monitoring data for forecasting the current soil pollution at the points of the protective action zone is provided. A perceptron having one hidden layer describes satisfactorily the distribution of the pollution vector over the territory five years after the man-made facility has been commissioned is demonstrated.

Author Biographies

M. G. Kurguzkin, AI Directorate of the Ministry of Natural Resources of the Udmurt Republic

PhD in Engineering, Assistant Professor

P. M. Kurguzkin, Kalashnikov Izhevsk State Technical University

Postgraduate

References

Биоиндикаторы и биотестсистемы в оценке окружающей среды техногенных территорий: монография / под общ. ред. Т. Я. Ашихминой и Н. М. Алалыкиной. Киров : О-краткое, 2008. 208 с.

Описание программы NeuroExcel. URL: http://www.neurotechlab.ru.

Создание «цифровых двойников» в рамках цфровой трансформации экологического мониторинга / С. В. Валиев, Д. В. Иванов, Д. Е. Шамаев, Р. Р. Хасанов // Российский журнал прикладной экологии. 2022. № 3. С. 29-33.

Мантула Е. В. Прогнозирующая нейронная сеть с переменной структурой для контроля показателей загрязнения окружающей среды // Бионика интеллекта. 2013. № 1 (80). С. 112-116.

Потылицина Е. Н., Липинский Л. В., Сугак Е. В. Использование искусственных нейронных сетей для решения прикладных экологических задач // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 4. URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id= 9779.

Петров В. Г., Шумилова М. А. Поведение арсенита натрия в почвах Удмуртии. Ижевск : Изд-во Института механики УрО РАН, 2016. 176 с.

Мальцев К. А., Мухарамова С. С. Построение моделей пространственных переменных (с применением пакета Surfer) : учеб. пособие. Казань : Казанский университет, 2014. 103 с.

Анализ основных компонентов (РСА) в Excel. URL: http://www.help.xlstat.com.

Кургузкин М. Г., Корепанов М. А., Тененев В. А. Использование методов многомерного анализа для обработки результатов экологического мониторинга объекта по уничтожению химического оружия // Экология урбанизированных территорий. 2009. № 3. С. 96-101.

Комарова А. Ф., Журавлева И. В., Яблоков В. М. Открытые мультиспектральные данные и основные методы дистанционного зондирования в изучении растительного покрова // Принципы экологии. 2016. № 1. С. 40-71.

Шитиков В. К., Розенберг Г. С., Костина Н. В. Методы синтетического картографирования (на примере эколого-информационной системы ‘region-volgabas’). URL: http://www.ecograde.bio.msu.ru/library/books/_pdf_rosenberg/3-2.pdf.

Шитиков В. К., Зинченко Т. Д. Многомерный статистический анализ экологических сообществ (обзор) // Теоретическая и прикладная экология. 2019. № 1. С. 5-11.

Сердюцкая Л. Ф., Яцишин А. В. Техногенная экология: Математико-картографическое моделирование. М. : Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. 232 с.

Большаков А. А., Каримов Р. Н. Методы обработки многомерных данных и временных рядов : учебное пособие для вузов. М. : Горячая-линия-Телеком, 2015. 552 с.

Афифи А., Эйзен С. Статистический анализ. Подход с использованием ЭВМ / пер. с англ. М. : Мир, 1982. 302 с.

Narottam S., Safiur M. Multivariate statistical analysis of metal contamination in surface water around Dhaka export processing industrial zone. Bangladesh // Environmental Nanotechnology, Monitoring and Management. 10(2018). S.206-211.

UkJae L., Chanki L., Minji K., Hee Reyoung K. Analysis of the influence of nuclear facilities on environmental radiation by monitoring the highest nuclear power plant density region // Nuclear Engineering and Technology. 51(2019). S. 1626-1632.

Комплексный экологический мониторинг в районах расположения опасных промышленных объектов, системы экологического мониторинга объектов по уничтожению химического оружия и атомных электростанции : монография / под общ. ред. проф. В. Н. Чуписа. М. : Научная книга, 2014. 528 с.

Экологический мониторинг опасных производственных объектов: опыт создания и перспективы развития (на примере систем экологического контроля и мониторинга объектов по уничтожению химического оружия) : монография / под общ. ред. проф. В. Н. Чуписа. М. : Научная книга, 2010. 526 с.

Ашихмина Т. Я. Комплексный экологический мониторинг объектов хранения и уничтожения химического оружия: монография. Киров : Вятка, 2002. 544 с.

Шарапов Р. В. Переход от технических к природно-техническим системам // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. 2012. № 2. С. 43-46.

Исаев С. В. Концепция природно-технических систем и ее использование при изучении антропогенной трансформации природной среды // Географический вестник. 2016. № 3 (38). С. 105-113.

Published

08.04.2023

How to Cite

Kurguzkin М. Г., & Kurguzkin П. М. (2023). Vectorial-Criterion-BasedAssessment of Ecological State ofthe Natural-Engineering System. Intellekt. Sist. Proizv., 21(1), 115–124. https://doi.org/10.22213/2410-9304-2023-1-115-124

Issue

Section

Articles