Разработка ГИС-технологий реконструкции параметров радиационной обстановки в населенных пунктах загрязненных областей РФ для обеспечения эпидемиологических расчетов на основе официальных данных

Медицинский радиологический научный центр РАМН , Обнинск

Авария на Чернобыльской АЭС поставила перед учеными до сих пор нерешенный окончательно непростой вопрос - как ее последствия повлияют на здоровье нынешнего и будущего поколений людей ? Его решение во многом зависит и от знания пространственно - временной структуры выпадений продуктов аварии на местности территории загрязненных регионов .

Масштабы и сложность чернобыльской аварии , неполнота данных о радиационных параметрах по требовали серьезных усилий по изучению и прогнозированию радиационной обстановки . Эта работа ак тивно продолжается и в настоящее время в учреждениях Росгидромета , Минздрава РФ , МЧС России , в других учреждениях и организациях как в России , так и за рубежом . В частности , НПО " Тайфун " провел большую работу по восстановлению пространственно - временной картины распространения и выпадения на местность продуктов аварии на Чернобыльской АЭС . Эти исследования , выполненные совместно с Медицинским радиологическим научным центром , были во многом ориентированы на дозиметрическое обеспечение Российского государственного медико - дозиметрического регистра ( РГМДР ). Некоторые итоги этих комплексных работ опубликованы в выпуске № 3 Бюллетеня " Радиация и риск " за 1993 год . В При ложении 1 к этому выпуску приведены экспериментальные данные о плотности выпадений изотопа ¹³⁷Cs вследствие аварии на Чернобыльской АЭС на территории большинства населенных пунктов России [1]. Эти данные ограничены населенными пунктами с плотностью выпадений более 37 кБк / м ². Вышедший в 1999 году “ Атлас радиоактивного загрязнения европейской части России , Белоруссии и Украины ” содер жит карты загрязнения в виде изолиний плотностей выпадения ¹³⁷Cs и не может напрямую использовать ся в радиоэкологических исследованиях [2]. Наконец , опубликованный в 2000 году НПО “ Тайфун ” спра вочник “ Данные по радиоактивному загрязнению территории населенных пунктов Российской Федерации ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr и ^239+240Pu”, также не обладает необходимой полнотой [3]. Между тем , новые задачи , стоящие перед эпидемиологическими подразделениями РГМДР , требуют знания доз облучения населения во всех населенных пунктах всех загрязненных областей РФ .

В нынешних условиях повышенного интереса к эпидемиологическим последствиям аварии на ЧАЭС для населения РФ особое значение для результатов радиационно - эпидемиологических исследова ний принимает использование только официальных данных и методик . Это в первую очередь относится как к методам реконструкции доз облучения населения , так и используемым параметрам радиационной обстановки на территории РФ .

В данной работе описана ГИС - технология реконструкции плотностей выпадений ¹³⁷Cs на террито рии РФ , загрязненной в результате аварии на ЧАЭС . Целью решения этой задачи является обеспечение эпидемиологических расчетов полными данными по радиационному загрязнению местности ¹³⁷Cs. Техно логическая схема решения задачи приведена на рисунке 1. На основе имеющихся официальных данных по загрязнению местности строится полная таблица плотности выпадений ¹³⁷Cs в населенных пунктах . Затем на основе этой таблицы рассчитываются среднерайонные значения плотностей выпадений ¹³⁷Cs. Этот параметр используется в эпидемиологических исследованиях , проводимых на базе среднерайонных показателей состояния здоровья населения . В целом задача восстановления плотностей выпадений ¹³⁷Cs на территории загрязненных областей по официальным данным решается методами геоинформационных систем ( ГИС ). Основные расчеты проводятся в среде ГИС Manifold. Результаты расчетов представлены в виде базы данных плотностей выпадения ¹³⁷Cs во всех населенных пунктах , электронных карт с привязкой всех объектов к географическим координатам и проиллюстрированы твердыми копиями этих карт .

Исходные данные

Состав исходных данных приведен в левой части рисунка 1. Задача решалась на основе офици альных данных , взятых из следующих источников .

Карты плотностей загрязнения и мощностей экспозиционных доз на территории Брянской , Калуж ской и Орловской областей взяты из атласа радиоактивного загрязнения европейской части России , Бе лоруссии и Украины [2]. Атлас разработан в Институте глобального климата и экологии Росгидромета и РАН под научным руководством академика Ю . А . Израэля . Отсканированные карты плотностей выпадения ¹³⁷Cs и мощностей экспозиционных доз в воздухе приведены на рисунках 2 и 3. В дальнейшем описание технологии проведения расчетов будет иллюстрироваться на примере Брянской области .

Плотности выпадения ¹³⁷Cs в населенных пунктах загрязненных областей , превышающие 37 кБк / м ², взяты из Приложения 1 к выпуску № 3 Бюллетеня '' Радиация и риск '' за 1993 год [1]. Эти данные обсужда лись и были одобрены на заседании Российской научной комиссии по радиационной защите . Электронная топооснова , содержащая границы районов и географическое расположение населенных пунктов , была взята из базы ГИС Регистра . Административно - территориальное деление Брянской области приведено на рисунке 4.

Отметим наиболее характерные черты используемых данных .

Данные по населенным пунктам характеризуются географической неполнотой , поскольку проводи лись только для тех пунктов , где плотности выпадения ¹³⁷Cs превышают уровень 37 кБк / м ². Их неполнота проиллюстрирована на рисунке 5.

Данные в виде карт атласа характеризуются географической полнотой , но размытостью значений . Для каждого населенного пункта величина характеризуется интервалом значений плотностей выпадения ¹³⁷Cs на изолиниях , между которыми этот пункт находится . В отдельных случаях наблюдается незначи тельное несоответствие данных работ [1, 2] друг другу .

Электронная топооснова из базы ГИС Регистра служит для компоновки данных из первых двух ис точников в целостный картографический объект .

Для подготовки исходных данных к расчетам потребовалось провести определенную предвари тельную обработку . Данные из Приложения 1 к выпуску № 3 Бюллетеня '' Радиация и риск '' были предва рительно преобразованы в файлы формата Microsoft Office. Оригиналы твердых карт атласа были пред варительно отсканированы . Затем была проведена оцифровка и привязка изолиний электронных версий карт к географическим координатам . Для выполнения этой работы потребовалось разработать специаль ный редактор на языке Visual Basic. Для загрузки топоосновы из ГИС Регистра в среду Manifold был раз работан конвертор формата , включенный в состав вышеупомянутого редактора .

Проведение расчетов по реконструкции плотностей выпадения ¹³⁷Cs в населенных пунктах прово дилось , исходя из следующих требований к результату :

• •    реконструированные плотности выпадений не должны противоречить исходным данным ;

• •    если реконструированная плотность выпадений обусловлена близостью пунктов , по которым есть данные работы [1], но противоречит карте из атласа , то ее величина в соответствие с данными ат ласа не приводится .

Технология выполнения расчетов

Основные расчеты проводились в среде ГИС Manifold. Это отражено в средней части рисунка 1. Исходные данные организованы в формате базы Manifold. База состоит из геометрической и семантиче ской частей . В первой части базы данных представлены границы районов , изолинии атласа и населенные пункты в виде геометрических объектов , привязанных посредством географических координат к земной поверхности . Вторая часть базы состоит из полей , связанных с геометрическими объектами и содержащих значения параметров этих объектов . Группировка географических объектов , расчеты их параметров и формирование визуального картографического образа осуществляются посредством организации проек тов Manifold. По своему функциональному назначению проекты можно разбить на три группы : формирова ние и загрузка баз данных , выполнение расчетов , формирование результата .

Расчеты выполняются методами геоинформационных систем в следующем порядке .

Шаг 1. Объединение исходных данных Росгидромета и РНКРЗ .

Точки , соответствующие населенным пунктам с известными значениями плотности загрязнения , и узловые точки изолиний объединяются в один слой . Результат такого объединения на примере Брянской области показан на рисунке 6.

Шаг 2. Пробная реконструкция плотностей выпадения .

Для решения этой задачи используется геометрический метод интерполяции поверхности . По точ кам , в которых известны значения некоторого параметра , строится триангуляция топоструктуры , по кото рой можно определить гладкую поверхность , проходящую через точки с известными значениями парамет ра . Значения реконструируемого параметра определяются проекцией соответствующих точек на постро енную поверхность . В среду Manifold включено программное приложение , реализующее интерполяцию поверхности методом Акима .

Шаг 3. Выявление несоответствий реконструированных параметров картам атласа .

Точки с реконструированными на предыдущем шаге значениями плотностей выпадения раскраши ваются в соответствии с интервалами изолиний атласа . Это выполняется для визуального контроля соот ветствия реконструированных данных картам атласа . Как правило , пробная реконструкция плотностей выпадения дает значительные расхождения с картами атласа . Вызвано это следующими причинами . Ме тод Акима дает хорошие результаты при достаточно равномерном расположении точек с известными зна чениями . Исходные данные как атласа [2], так и приложения 1 [1], такому условию не соответствуют . Ин терполяционный метод учитывает градиенты изменения значений и не содержит возможностей про граммного способа задания ограничения на реконструируемые значения параметров . Это приводит к то му , что в местах редкого расположения точек , вследствие учета только градиентов интерполируемых ве личин , реконструированные значения могут существенно выходить за граничные значения изолиний атла са [2]. Кроме того , интерполяционный метод ориентирован на работу с множеством точек , поэтому поня тие изолиний здесь теряет свой смысл . Как следствие , происходит потеря дополнительной информации атласа [2], связанной с топологией расположения изолиний на картах атласа . Поэтому несоответствия с атласом могут быть обусловлены как особенностями формы самих изолиний , так особенностями их вза имного расположения .

Шаг 4. Внесение экспертных изолиний .

Поскольку в реализованном программном обеспечении геометрической интерполяции не преду смотрено явное задание ограничений на результат интерполяции , это было сделано неявно , посредством внесения дополнительных исходных точек . Как видно из рисунка 6, для большей части населенных пунк тов слабо загрязненной территории Брянской области официальные данные содержат сведения только о диапазоне плотностей выпадения ¹³⁷Cs. В этой части территории области плотность выпадения ¹³⁷Cs со ставляет 7,4-18,5 кБк / м ². Поскольку эта часть территории области по изолиниям плотности выпадения остается на границе незамкнутой , применение стандартных процедур среды Manifold приводит к некор ректным результатам . Расчетные значения для большей части населенных пунктов в этой зоне выходят за граничные значения изолиний . Поэтому для заполнения такого рода частей территорий загрязненных областей данными привлекалась информация из атласа о мощности экспозиционной дозы ( рис . 3). Сис - пользованием методики расчета доз внешнего и внутреннего облучения тела человека для всех загряз ненных областей [4] рассчитывался коэффициент для пересчета данных атласа об экспозиционной дозе в мкР / ч на август 1995 года к плотностям выпадений ¹³⁷Cs на это же время . Для Брянской области числен ное значение этого коэффициента равно 0,27 ( мкКи / м ²)/( мкР / ч ). С использованием этого коэффициента на незамкнутые по изолиниям пограничные части загрязненных областей переносились изолинии мощностей доз , пересчитанные к плотностям выпадения ¹³⁷Cs. Кроме этого , дополнительный набор точек строится на основе проведения изолиний примерно посередине между изолиниями атласа . Пример построения такого набора дополнительных точек и изолиний показан на рисунке 7. Далее с помощью стандартных процедур среды Manifold определяются плотности выпадения ¹³⁷Cs для тех населенных пунктов , для которых дан ные отсутствуют . О качестве применения такого метода расчета можно судить по данным , представлен ным на рисунке 8. Здесь знаками разной формы показана следующая информация :

• •    кружки - официальные данные о плотностях выпадений ¹³⁷Cs в населенных пунктах ,

• •    ромбы - расчетные данные плотностей выпадений ¹³⁷Cs в населенных пунктах соответствуют дан ным атласа ,

• •    треугольники - расчетные данные плотностей выпадений ¹³⁷Cs в населенных пунктах выходят за граничные значения изолиний , между которыми эти населенные пункты находятся ; плотность вы падения ¹³⁷Cs в таких населенных пунктах приводилась в соответствие с граничными значениями изолиний с учетом степени близости их расположения к изолиниям .

Здесь можно отметить , что вся процедура введения дополнительных изолиний применялась только в следующих случаях :

• •    для слабозагрязненной территории Брянской области с плотностями выпадения ¹³⁷Cs от 7,4 до 18,5 кБк / м ² между ее юго - западными сильно загрязненными районами и ее северо - восточной частью , прилегающей к загрязненной южной части Калужской области ,

• •    для граничных участков территорий загрязненных областей с незамкнутыми изолиниями , к приме ру , изолинии в юго - восточном выступе Брянской области на рисунке 7.

Шаг 5. Повторная реконструкция плотностей выпадения .

С учетом экспертно добавленных дополнительных точек выполняется повторный расчет методом Акима . Степень соответствия картам атласа зависит от качества дополнительной экспертной информа ции .

Шаг 6. Выявление несоответствий .

Точки с пересчитанными данными снова раскрашиваются для визуального контроля на соответст вие картам атласа . Если должного соответствия не достигнуто , то шаги 4, 5, 6 можно повторить .

Шаг 7. Конечная экспертная правка для соблюдения условий атласа .

Некоторые несоответствия с картами атласа остаются , и для их корректировки эксперт просто от мечает все такие точки и присваивает им новые значения . Значения присваиваются в соответствии со следующими правилами :

• •    для данных ниже фона - приписать значение 0,06,

• •    для выбросов за границы интервалов - приписать значения 95% от верхней границы или 105% от нижней границы ,

• •    если выброс обусловлен наличием поблизости пунктов с измеренными значениями , то корректи ровку не производить ; приоритет отдается измеренным значениям , а не изолиниям атласа .

Значения плотностей загрязнения на дату аварии в кБк / м ² приведены в таблице 1, где b - обознача ет нижнюю границу интервала , а t - верхнюю .

Экспертные изолинии и граничные условия

Таблица 1

Интервал { b , t }	Интервал на дату аварии в кБк / м 2	Середина ( b + t )/2	Верх - 0.95 х t	Низ - 1,05 х b
0,1 - 0,2	4,58282 9,16564	0,15=6,87423	8,707358	4,811961
0,2 - 0,5	9,16564 22,9141	0,35=16,03987	21,768395	9,623922
0,5 - 1	22,9141 45,8282	0,75=34,37115	43,53679	24,059805
1 - 5	45,8282 229,141		217,68395	48,11961

На основе реконструированных значений плотности загрязнения 137Cs в населенных пунктах гео метрическими методами вычисляются средние районные показатели . После этого реконструированные плотности загрязнения могут быть выгружены из среды Manifold в формате Microsoft Office и предоставле ны для дальнейших эпидемиологических расчетов .

Результаты расчетов , как видно из правой части рисунка 1, представлены в виде электронных таб лиц и электронных карт .

Исходные данные

Атлас радиоактивного загрязнения

ГИС Регистра

Радиоэкологическая база данных

	Пло	тно	сть
	загр	язне	ния
	насе	лен	ных
	пу	нкт	ов

Поддержка ГИС-технологии

Базы Manifold

Рис . 1. Технологическая схема расчетов .

Результаты

Радиоэкологическая база данных

s го й s т: О й о w S 3 го ч тз

S го

Рис . 2. Карта радиоактивного загрязнения местности ¹³⁷Cs Брянской области

Рис . 3. Карта мощности дозы гамма - излучения ¹³⁷Cs Брянской области

Рис . 4. Схема административно - территориального деления Брянской области

Рис . 5. Полнота данных радиоактивного загрязнения ¹³⁷Cs населенных пунктов Брянской области

Рис . 6. Исходные данные Росгидромета и РНКРЗ

Рис . 7. Дополнительные экспертные изолинии

Рис . 8. Карта реконструированных плотностей загрязнения ¹³⁷Cs населенных пунктов Брянской области

Рис . 9. Карта реконструированных средних районных значений плотности загрязнения ¹³⁷Cs Брянской области

Рис . 10. Карта реконструированных плотностей загрязнения ¹³⁷Cs населенных пунктов Калужской области

Рис . 11. Карта реконструированных средних районных значений плотности загрязнения ¹³⁷Cs Калужской области .

3 го й

S т: О й о w

S 3 го ч тз

S го

S О) ±1

■и о

Г) Г)

S Sc Г)

о

о

Г)

Рис . 12. Карта реконструированных плотностей загрязнения ¹³⁷Cs населенных пунктов Орловской области

Рис . 13. Карта реконструированных средних районных значений плотности загрязнения ¹³⁷Cs Орловской области .

3 го й S т: О й о w S 3 го ч тз

S го

Итоговая карта плотностей выпадений ¹³⁷Cs в Брянской области на уровне населенных пунктов и изолиний на местности приведена на рисунке 8. По этим данным рассчитываются соответственно средне районные значения и средние значения плотности выпадений по районам , окружающим областные цен тры .

Карта среднерайонных плотностей выпадений ¹³⁷Cs в Брянской области , полученная путем про странственного осреднения плотностей выпадений ¹³⁷Cs по территории районов , приведена на рисунке 9. Построенные таким же образом карты плотностей выпадений ¹³⁷Cs в Калужской и Орловской областях приведены на рисунках 10-13.

Непосредственно база данных плотностей выпадения ¹³⁷Cs в населенных пунктах и их среднерай онные значения используются при реконструкции средних и индивидуальных ( при наличии индивидуаль ных данных радиометрии тела ) доз облучения внешнего и внутреннего облучения всего тела у прожи вающих в загрязненных областях . И непосредственно при проведении предварительных оценок в эпиде миологических исследованиях , когда в качестве показателя радиационной обстановки используется плот ность выпадений ¹³⁷Cs. С использованием данных об изотопном составе выпадений продуктов Черно быльской аварии на территории РФ [4], полученные база данных и электронные карты плотностей выпа дения ¹³⁷Cs легко пересчитываются к плотностям выпадений ¹³¹I. Эти данные , дополненные сведениями о динамике выпадений продуктов аварии [4], позволяют в свою очередь провести реконструкцию средних возрастозависимых и индивидуальных ( при наличии индивидуальных данных радиометрии щитовидной железы ) доз облучения щитовидной железы населения всех загрязненных областей РФ .