Цифровые инфраструктуры пространственных данных и модели метагеосистем территорий для устойчивого развития регионов

Развитие глобальных экологических проблем и их метахронный характер проявления в географической оболочке определяет актуальность развития цифровых инфраструктур пространственных данных и разработки моделей метагеосистем территорий, формирующих в результате сложного взаимодействия природных, социальных и техногенных факторов. Перспективность этого направления развития науки многоплановое: оперативное картографирование широкого спектра природных процессов, формирование систем многоцелевого использования возобновляемых ресурсов, диагностика изменяющихся систем жизнеобеспечения, прогнозирование социально-экономических и природно-техногенных чрезвычайных экологических ситуаций. Цель проекта – разработка новых технологий интеграции, интеллектуального анализа и распространения больших геопространственных данных для планирования устойчивого эколого-социально-экономического развития регионов России и обеспечения лидирующих позиций страны в ключевых направлениях цифровой экономики. Для достижения поставленной цели будут последовательно решены следующие задачи: 1) Анализ и систематизация отечественного и международного опыта проектирования, верификации, актуализации и практического использования цифровых ИПД для целей гармонизации взаимодействия природных, социальных и производственных подсистем, устойчивого развитии территорий. Критический анализ существующих международных, государственных, региональных, муниципальных (локальных) геопортальных систем, обеспечивающих синтез, структуризацию, визуализацию и распространение пространственно распределенных данных о метагеосистемах для информационной поддержки управленческих решений в области устойчивого эколого-социально-экономического развития, с целью обоснования эффективной концептуальной модели проблемно-ориентированной геопортальной системы. 2) Разработка опорных принципов проектирования тестовых полигонов и формирование системы тестовых полигонов в зоне контакта лесостепи пластово-ярусной Приволжской возвышенности и лесных ландшафтах Окско-Донской низменности для разработки и тестирования автоматических и автоматизированных методик картографирования метагеосистем, моделирования геоэкологических процессов, мониторинга состояния развития геоэкологических ситуаций с использованием данных ДЗЗ. 3) Разработка и формирование модели функционального геоэкологического зонирования северной лесостепи западных склонов пластово-ярусной Приволжской возвышенности и краевой части лесных геосистем пластовой Окско-Донской низменности в границах Республики Мордовия, основанной на подходах поляризации культурного ландшафта и выделении хозяйственного каркаса и зон экологического равновесия. 4) Разработка новых методов и алгоритмов геоинформационного анализа структуры метагеосистем на основе синтетического ландшафтного картографирования на базе данных ДЗЗ, методологии глубокого машинного обучения, расчета цифровых параметров морфометрии геосистем и их биологического разнообразия, анализа процессов хозяйственного освоения и развития геоэкологических проблем. Проектирование подходов геоэкологического прогнозирования развития геоэкологических ситуаций на основе геоинформационных технологий и методик анализа данных ДЗЗ, в том числе созданных алгоритмов глубокого машинного обучения. 5) Разработка цифровых моделей геосистем для диагностики экологических ситуаций: методология создания баз данных моделирования цифровых геосистем и их интеграции в метагеосистемы; построения и геоэкологического анализа цифровых моделей геосистем; обоснования многомерного геоэкологического моделирования и анализа техногенного загрязнения геосистем; диагностики природной и техногенной обусловленности вариабельности концентраций микроэлементов. 6) Разработка методологии и методов проектирования геопортальных систем для визуализации и моделирования метагеосистем и исследования структуры сложных геоэкологических ситуаций. Повышение точности и оперативности диагностики пространственно-временных изменений метагеосистем основывается на внедрение в практику интеллектуальных систем, технологий глубокого машинного обучения, применяемых для сопряженного анализа данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), результатов мониторинга экологических, социальных и экономических процессов в развитии территорий. Центральное внимание в проекте уделяется проблеме создания эффективного архитектурного решения географических информационных систем, как инструмента решения задачи интеграции, каталогизации, распространения и визуализации пространственных данных с целью обеспечения поддержки принятия управленческих решений в области оптимизации развития цифровой экономики Российской Федерации. Ожидаемые результаты Развитие интеллектуальных систем для прогнозирования и решения эколого-социально-экономических проблем, предупреждения и минимизации последствий развития социально-экономических и природно-техногенных чрезвычайных ситуаций посредством сквозной цифровизации процессов обработки и анализа больших пространственных данных о взаимодействии природных, социальных и производственных систем включает широкий спектр задач. В рамках проекта «Цифровые инфраструктуры пространственных данных и модели метагеосистем территорий для устойчивого развития регионов» планируется получить следующие результаты: 1) Междисциплинарный подход информационного обеспечения устойчивого эколого-социально-экономического развития регионов России, основанного на изучении мирового и отечественного опыта, анализе требований потенциальных потребителей и концептуальных ориентиров проектирования экосистемы цифровой экономики на основе систематизации отечественного и международного опыта в области проектирования, разработки, внедрения и практического использования проблемно-ориентированных инфраструктур пространственных данных и геопортальных систем. 2) Система полигонов лесостепных геосистем Приволжской возвышенности и Окско-Донской низменности для апробации новых алгоритмов анализа данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Методическое и алгоритмическое обеспечение процесса картографирования экологического состояния регионов, городов, акваторий и прогнозирования природных и природно-техногенных чрезвычайных экологических ситуаций. 3) Модели функционального геоэкологического зонирования (поляризации) эталонного полигона – северной лесостепи западных склонов пластово-ярусной Приволжской возвышенности и краевой части лесных геосистем пластовой Окско-Донской низменности в границах Республики Мордовия – с выделением хозяйственного каркаса и зон экологического равновесия; 4) Методология и методы построения цифровых моделей метагеосистем, позволяющая последовательно и семантически обоснованно исследовать структуру сложных геоэкологических ситуаций. Факторально-динамические модели геосистем, отображающих закономерности их пространственной организации. Определение норм состояния геосистем для различных иерархических уровней. 5) Система геоинформационного моделирования взаимодействия природных, социальных и производственных подсистем на основе синтетического картографирования геосистем, расчета цифровых параметров морфометрии геосистем и их биологического разнообразия для принятия управленческих решений по оптимизации функционального зонирования (поляризации) культурного ландшафта; 6) Методология и методы географического прогнозирования на основе геоинформационного моделирования, структурной и параметрической идентификации данных дистанционного зондирования Земли, с использованием технологий глубокого машинного обучения. Комплекс новых алгоритмов на основе технологий глубокого машинного обучения для прогнозирования развития пространственно-временных процессов на основе анализа геосистемной иерархической модели территории, формируемой на основе массивов пространственно-временных данных. 7) Эффективная архитектура и программная реализация каркаса геопортальной системы для решения задачи оптимального хранения, распространения и визуализации пространственных данных с целью обеспечения поддержки при принятии управленческих решений в области оптимизации природно-социально-производственных систем (ПСПС) в условиях развивающейся цифровой экономики. 8) Научно-обоснованная система рекомендаций для эффективного использования созданных методов и алгоритмов геоинформационного картографирования ПСПС на базе данных ДЗЗ с целью прогнозирования природно-техногенных процессов.