геоинформационная технология экология природопользование
Географические информационные системы (ГИС) появились в 60-х годах XX века как инструменты для отображения географии Земли и расположенных на ее поверхности объектов. Сейчас ГИС представляют собой сложные и многофункциональные инструменты для работы с данными о Земле.
Возможности, предоставляемые пользователю ГИС:
работа с картой (перемещение и масштабирование, удаление и добавление объектов);
печать в заданном виде любых объектов территории;
вывод на экран объектов определенного класса;
вывод атрибутивной информации об объекте;
обработка информации статистическими методами и отображение результатов такого анализа непосредственным наложением на карту
Так, с помощью ГИС специалисты могут оперативно спрогнозировать возможные места разрывов трубопроводы, проследить на карте пути распространения загрязнений и оценить вероятный ущерб для природной среды, вычислить объем средств, необходимых для устранения последствий аварии. С помощью ГИС можно отобрать промышленные предприятия, осуществляющие выбросы вредных веществ, отобразить розу ветров и грунтовые воды в окружающей их местности и смоделировать распространение выбросов в окружающей среде.
В 2004г. президиумом Российской академии наук было принято решение о проведении работ по программе «Электронная Земля», суть которой заключается в создании многопрофильной геоинформационной системы, характеризующей нашу планету, практически - цифровой модели Земли.
Зарубежные аналоги программы «Электронная Земля» можно подразделить на локальные (централизованные, данные хранят на одном сервере) и распределенные (данные хранятся и распространяются различными организациями на разных условиях).
Безусловным лидером в создании локальных баз данных является ESRI (Environmental Systems Research Institute, Inc., США) Сервер ArcAtlas “Our Earth” содержит более 40 тематических покрытий, которые широко используются во всем мире. Практически все картографические проекты масштаба 1:10 000 000 и более мелких масштабов создаются с его использованием.
Наиболее серьезным проектом по созданию распределенной базы данных является «Цифровая Земля» (Digital Earth). Этот проект был предложен вице-президентом США Гором в 1998г., основным исполнителем является NASA. В проекте участвуют министерства и государственные ведомства США, университеты, частные организации, Канада, Китай, Израиль и Европейский союз. Все проекты распределенных баз данных испытывают серьезные трудности в вопросах стандартизации метаданных и совместимости отдельных ГИС и проектов, созданных разными организациями с применением разного программного обеспечения.
Деятельность человека постоянно связана с накоплением информации об окружающей среде, ее отбором и хранением. Информационные системы, основное назначение которых - информационное обеспечение пользователя, то есть предоставление ему необходимых сведений по конкретной проблеме или вопросу, помогают человеку решать задачи быстрее и качественнее. При этом одни и те же данные могут использоваться при решении разных задач и наоборот. Любая информационная система предназначена для решения некоторого класса задач и включает в себя как хранилище данных, так и средства для реализации различных процедур.
Информационное обеспечение экологических исследований реализуется главным образом за счет двух информационных потоков:
информация, возникшая при проведении экологических исследований;
научно-техническая информация по мировому опыту разработки экологических проблем по различным направлениям.
Общей целью информационного обеспечения экологических исследований является изучение информационных потоков и подготовка материалов для принятия решений на всех уровнях управления в вопросах выполнения экологических исследований, обоснования отдельных научно-исследовательских работ, а также распределения финансирования.
Поскольку объектом описания и изучения является планета Земля, и экологическая информация имеет общие черты с геологической, то перспективно построение географических информационных систем для сбора, хранения и обработки фактографической и картографической информации:
о характере и степени экологических нарушений естественного и техногенного происхождения;
об общих экологических нарушениях естественного и техногенного происхождения;
об общих экологических нарушениях в определенной сфере человеческой деятельности;
о недроиспользовании;
об экономическом управлении определенной территорией.
Географические информационные системы рассчитаны, как правило, на установку и подключение большого количества автоматизированных рабочих мест, располагающих собственными базами данных и средствами вывода результатов. Экологи на автоматизированном рабочем месте на основе пространственно привязанной информации может решить задачи различного спектра:
анализ изменения окружающей среды под влиянием природных и техногенных факторов;
рациональное использование и охрана водных, земельных, атмосферных, минеральных и энергетических ресурсов;
снижение ущерба и предотвращение техногенных катастроф;
обеспечение безопасного проживания людей, охрана их здоровья.
Все потенциально экологически опасные объекты и сведения о них, о концентрации вредных веществ, допустимых нормах и т.д. сопровождаются географической, геоморфологической, ландшафтно-геохимической, гидрогеологической и другими типами информации. Рассеянность и нехватка информационных ресурсов в экологии легла в основу разработанных ИГЕМ РАН аналитических справочно-информационных систем (АСИС) по проектам в области экологии и охраны окружающей среды на территории Российской Федерации АСИС «ЭкоПро», а также разработка автоматизированной системы для Московской области, призванной осуществить ее экомониторинг. Разница задач обоих проектов обуславливается не только территориальными границами (в первом случае это территория всей страны, а во втором непосредственно Московская область), но и по областям применения информации. Система «ЭкоПро» предназначена для накопления, обработки и анализа данных об экологических проектах прикладного и исследовательского характера на территории РФ за иностранные деньги. Система мониторинга Московской области призвана служить источником информации об источниках и реальном загрязнении окружающей среды, предотвращения катастроф, экологических мероприятиях в области охраны окружающей среды, платежах предприятий на территории области в целях экономического управления и контроля со стороны государственных органов. Так как информация по природе своей обладает гибкостью, то можно сказать, что и та, и другая система, разработанная ИГЕМ РАК может использоваться как с целью проведения исследований, так и для управления. То есть задачи двух систем могут переходить одна в другую.
В качестве более частного примера базы данных, хранящей информацию по охране окружающей среды, можно привести работу О.С. Брюховецкого и И.П. Ганина «Проектирование базы данных по методам ликвидации локальных техногенных загрязнений в массивах горных пород». В ней рассматривается методология построения такой базы данных, дается характеристика оптимальных условий ее применения.
При оценке чрезвычайных ситуаций информационная подготовка занимает 30-60% времени, а информационные системы в состоянии быстро предоставить информацию и обеспечить нахождение эффективных методов урегулирования. В условиях чрезвычайной ситуации решения не могут быть смоделированы в явном виде, однако основой для их принятия может служить большой объем разнообразной информации, хранимой и передаваемой базой данных. По предоставленным результатам управленческий персонал на основе своего опыта и интуиции принимает конкретные решения.
Моделирование процессов принятия решений становится центральным направлением автоматизации деятельности лица, принимающего решения (ЛПР). К задачам ЛПР относится принятие решений в геоинформационной системе. Современную геоинформационную систему можно определить как совокупность аппаратно-программных средств, географических и семантических данных, предназначенную для получения, хранения, обработки, анализа и визуализации пространственно-распределенной информации. Экологические геоинформационные системы позволяют работать с картами различных экологических слоев и автоматически строить аномальную зону по заданному химическому элементу. Это достаточно удобно, так как эксперту-экологу не нужно в ручную рассчитывать аномальные зоны и производить их построение. Однако, для полного анализа экологической обстановки эксперту-экологу требуется распечатывать карты всех экологических слоев и карты аномальных зон для каждого химического элемента. Берштейн Л.С., Целых А.Н. Гибридная экспертная система с вычислительным модулем для прогноза экологических ситуаций. Труды международного симпозиума “Интеллектуальные системы - ИнСис - 96”, г.Москва, 1996г.В геоинформационной системе построение аномальных зон производилось для тридцати четырех химических элементов. Сначала он должен получить сводную карту загрязнения почвы химическими элементами. Для этого путем последовательного копирования на кальку со всех карт, строится карта загрязнения почвы химическими элементами Алексеенко В.А. Геохимия ландшафта и окружающая cреда. - М.:Недра, 1990. -142с.:ил.. Затем полученную карту таким же образом сопоставляют с картами гидрологии, геологии, геохимических ландшафтов, глин. На основании сопоставления строится карта качественной оценки опасности окружающей среды для человека. Таким образом осуществляется мониторинг окружающей среды. Этот процесс требует много времени и высокой квалификации эксперта, для того, чтобы точно и объективно оценить обстановку. При таком большом объеме информации, одновременно, обрушивающейся на эксперта могут возникать ошибки. Поэтому возникла необходимость в автоматизации процесса принятия решений. Для этого существующая геоинформационная система была дополнена подсистемой принятия решений. Особенностью разработанной подсистемы является то, что одна часть данных с которыми работает программа, представлена в виде карт. Другая часть данных обрабатывается и на их основе строится карта, которая затем также подлежит обработке. Для реализации системы принятия решений был избран аппарат теории нечетких множеств. Это вызвано тем, что с помощью нечетких множеств можно создавать методы и алгоритмы способные моделировать приемы принятия решений человеком в ходе решения различных задач. В качестве математической модели слабоформализованных задач выступают нечеткие алгоритмы управления, позволяющие получать решение хотя приближенные, но не худшие, чем при использовании точных методов. Под нечетким алгоритмом управлению будем понимать упорядоченную последовательность нечетких инструкций (могут иметь место и отдельные четкие инструкции), обеспечивающую функционирование некоторого объекта или процесса. Методы теории нечетких множеств позволяют, во-первых, учитывать различного рода неопределенности и неточности, вносимые субъектом и процессами управления, и формализовать словесную информацию человека о задаче; во-вторых, существенно уменьшить число исходных элементов модели процесса управления и извлечь полезную информацию для построения алгоритма управления. Сформулируем основные принципы построения нечетких алгоритмов. Нечеткие инструкции, используемые в нечетких алгоритмах, формируются или на основе обобщения опыта специалиста при решении рассматриваемой задачи, или на основе тщательного изучения и содержательного ее анализа. Для построения нечетких алгоритмов учитываются все ограничения и критерии, вытекающие из содержательного рассмотрения задачи, однако полученные нечеткие инструкции используются не все: выделяются наиболее существенные из них, исключаются возможные противоречия и устанавливается порядок их выполнения, приводящий к решению задачи. С учетом слабоформализованных задач существуют два способа получения исходных нечетких данных - непосредственный и как результат обработки четких данных. В основе обоих способов лежит необходимость субъективной оценки функций принадлежности нечетких множеств.
Логическая обработка данных проб почвы и построение сводной карты загрязнения почвы химическими элементами.
Программа являлась развитием уже существующей версии программы “ТагЭко”, дополняет существующую программу новыми функциями. Для работы новых функций необходимы данные содержащиеся в предыдущей версии программы. Этим обусловлено использование методов доступа к данным разработанных в предыдущей версии программы. Используется функция для получения информации, хранящейся в базе данных. Это необходимо для получения координат каждой точки пробы, хранящейся в базе данных. Также используется функция для расчета величины аномального содержания химического элемента в ландшафте. Таким образом через эти данные и эти функции происходит взаимодействие предыдущей программы с подсистемой принятия решений. В случае изменения в базе данных значения пробы или координат пробы это будет автоматически учитываться в подсистеме принятия решений. Необходимо отметить, что при программировании используется динамический стиль выделения памяти и данные хранятся в виде односвязных, либо двусвязных списков. Это обусловлено тем, что заранее неизвестно количество проб или количество участков поверхности на которые будет разбита карта.
Построение карты качественной оценки влияния окружающей среды на человека.
Построение карты происходит согласно алгоритму, описанному выше. Пользователь указывает интересующую его область, а также шаг с которым будет производиться анализ карт. Перед началом обработки данных производится считывание информации из WMF файлов и формирование списков, элементами которых являются указатели на полигоны. Для каждой карты составляется свой список. Затем после формирования списков полигонов производится формирование карты загрязнения почвы химическими элементами. По окончании формирования всех карт и ввода исходных данных формируются координаты точек, в которых будет производиться анализ карт. Данные, получаемые функциями опроса заносятся в специальную структуру. Завершив формирование структуры программа производит ее классификацию. Каждая точка сетки опроса получает номер эталонной ситуации. Этот номер с указанием номера точки заносится в двусвязный список, чтобы потом можно было бы построить карту графически. Специальная функция анализирует этот двусвязный список и производит графическое построение изолиний вокруг точек, имеющих одинаковые классификационные ситуации. Она считывает точку из списка и анализирует значение номера ее ситуации с номерами соседних точек, и в случае совпадения объединяет рядом расположенные точки в зоны. В результате работы программы вся территория г.
Таганрога окрашивается в один из трех цветов. Каждый цвет характеризует качественную оценку экологической обстановки в городе. Так красный цвет указывает на “особо опасные участки”, желтый на “опасные участки”, зеленый на “безопасные участки”. Таким образом информация представляется в доступной для пользователя и удобной для восприятия форме. Берштейн Л.С., Целых А.Н. Гибридная экспертная система с вычислительным модулем для прогноза экологических ситуаций. Труды международного симпозиума “Интеллектуальные системы - ИнСис - 96”, г.Москва, 1996г.
Система единого экологического мониторинга (ЕЭМ) является основным инструментом для решения проблем взаимодействия человека и окружающей среды, ресурсо- и энергосбережения, рационального природопользования, особенно в промышленно развитых районах с напряженной экологической обстановкой, для реализации концепции обеспечения экологической безопасности жизнедеятельности на глобальном, региональном и объектовом уровнях, имеющей много аспектов: от философских и социальных до медико-биологических, экономических и инженерно-технических. Центральным звеном системы ЕЭМ, во многом определяющим ее эффективное функционирование, является информационная система.
Рассмотрим принципы построения ГИС ЕЭМ для региона городского типа. Для реализации комплексного подхода к решению задачи обеспечения экологической безопасности она в общем случае должна содержать следующие взаимосвязанные структурные звенья: базы и банки данных экологической, правовой, медико-биологической, санитарно-гигиенической, технико-экономической направленностей; блок моделирования и оптимизации промышленных объектов; блок восстановления по данным измерений и прогноза распространения полей экологических и метеорологических факторов;
¦ блок принятия решений.
Для административных органов регионального управления можно выделить ряд функций, по которым возникает необходимость информационной поддержки принимаемых решений в области экологической безопасности жизнедеятельности населения, рационального энергопользования и энергосбережения. К таким функциям можно отнести: отчетность о результатах выполнения работ в рамках социально-экологического состояния региона и мерах по его улучшению; контроль текущего состояния окружающей среды, превышения предельно допустимых концентраций вредных и тому подобных веществ на подведомственной территории; планирование (годовое, квартальное) программ социального развития, изучения качества жизни населения, повышения экологической безопасности жизнедеятельности населения в регионе; управление в повседневной административной деятельности (разбор претензий, жалоб и конфликтов с юридическими и физическими лицами).
Для выполнения вышеперечисленных функций требуется полная и достоверная информация Потоки информации, необходимой для адекватной оценки складывающейся ситуации и принятия управляющих или корректирующих решений, проходят разные стадии: получение, обработка и отображение информации, оценка ситуации и принятие решений. Столь многофункциональная система с большими объемами географически привязанной информации может быть эффективно реализована только с применением рассмотренных выше современных геоинформационных технологий.
Комплексность экологических проблем, связывая воедино задачи, решаемые разными специалистами, требует системного подхода к их решению, проявляющегося в конкретных действиях специалистов каждой отрасли. Структура информационного обеспечения системы экологического мониторинга отражает эту специфику. По функциональному назначению его целесообразно разделить на проблемно-ориентированные блоки (или применительно к терминологии ГИС-слои) информации отдельных региональных служб, включая архитектурно-планировочные, коммунальные, инженерного обеспечения и др.
Информационное обеспечение системы ЕЭМ должно содержать следующие тематические слои информации (рис. 13.6). общая экологическая характеристика (атмосферный воздух, водоемы, почва, санитарно-эпидемиологические условия и др.); источники негативного воздействия на окружающую среду (выбросы и сбросы, твердые отходы и др.); зонирование территорий (объекты производственного назначения, селитебные территории, административные здания и др.); система охранных территорий (памятники истории и архитектуры, водоохранные зоны и др); инженерно-технические и транспортные коммуникации (магистрали наземного и подземного видов транспорта, теплотрассы, линии электропередачи и др); здравоохранение и социально-бытовые условия; нормативные и правовые документы, перспективы развития региона
Одним из важнейших элементов системы являются данные об объективном состоянии окружающей среды. Для примера рассмотрим структуру баз данных с показателями качества атмосферного
Рис 13 6 Тематическая информация в региональной системе ЕЭМ
воздуха. Состояние атмосферного воздуха характеризуется в первую очередь результатами экспериментального определения наличия в нем тех или иных загрязняющих веществ и их концентраций. Данная информация складывается из результатов периодического пробоотборного анализа, проводимого в регионе соответствующими государственными организациями (например, органами санитарно- эпидемиологического надзора), и данных, поступающих со стационарных постов непрерывных экологических наблюдений. Поэтому картографическая база данных по контролю атмосферы должна содержать полную информацию о местах контроля (адрес точек отбора проб), времени проведения замеров, погодных условиях в момент забора пробы, концентрации измерявшихся ингредиентов. На основе такой информации современные ГИС позволяют решать задачи интерполяции - восстановления непрерывных полей по дискретным данным, задачи комплексной оценки воздействия на экологическую ситуацию региона полей загрязнений различных ингредиентов и др.
Тематическая информация, касающаяся расположения и конфигурации основных источников загрязнения окружающей среды, должна быть представлена соответствующими электронными картами. В связанных с ними таблицах целесообразно хранить общие сведения о предприятиях региона (название, адрес, администрация и т.д.). Такие базы данных в совокупности с соответствующими картами позволяют получать ответы на следующие запросы: что представляет собой объект, выделенный на карте; где он расположен; какие объекты выбрасывают определенные вредные вещества; какие предприятия выбрасывают данное вредное вещество в объеме больше заданного; какие вещества выбрасывает данное предприятие и в каком объеме; какие предприятия превышают нормативы ПДВ; у какого предприятия просрочено действие разрешения на выброс; у какого предприятия задолженность по выплатам за выбросы в атмосферу.
Данные об инженерно-технических и транспортных коммуникациях должны храниться в ГИС ЕЭМ также в виде соответствующих карт и тематических баз данных. Следует отметить, что для инженерно-технических коммуникаций целесообразно иметь в базе данных и дополнительную графическую информацию в виде схем, чертежей и пояснительных документов, необходимых для их безопасной эксплуатации (ГИС предоставляет широкие возможности для работы с такой информацией).
В базах данных по транспортным магистралям должны содержаться такие экологические показатели, как интенсивность движения, спектр и объем вредных выбросов на единицу длины, виброа- кустические данные и др. Очевидно, что названные показатели изменяются на разных участках магистрали. Поэтому при картировании магистрали представляются в виде совокупности взаимосвязанных дуг, каждой из которых в базе данных ставятся в соответствие ее характеристики. В целом графические и тематические базы данных по транспортным магистралям должны обеспечивать выполнение запросов: какое количество заданного вредного вещества выбрасывается по всей длине транспортной магистрали, на какой магистрали выбрасывается максимальное количество определенного вредного вещества или всех веществ вместе; каково общее количество транспортных единиц, следующих по заданной магистрали или количество транспортных единиц заданного вида; какая магистраль (или участок какой магистрали) является наиболее нагруженной в транспортном отношении.
Изображение автомобильных магистралей на карте линиями различной ширины в зависимости от интенсивности движения транспорта по ним или объема выбросов загрязняющих веществ автомобилями на различных участках магистралей упрощает анализ транспортной ситуации, а одновременное использование базы данных позволяет получить любую интересующую пользователя информацию.
Дополнительные возможности для анализа экологической ситуации предоставляют оверлейные операции по наложению слоев информации в ГИС. Так, одновременный вывбд на экран полей концентрации оксида углерода, построенных по результатам ее измерений, и выбросов этого загрязнителя вдоль транспортных магистралей позволяет сделать вывод об источнике экологической опасности и принять соответствующие меры по ее устранению
Кроме распространенных баз данных в системе информационного обеспечения ЕЭМ особое значение имеет блок моделирования распределения полей концентрации загрязняющих веществ на основе общих показателей работы промышленных объектов или других источников загрязнения и степени их воздействия на ОС. Такие расчеты необходимы при анализе неблагополучной экологической ситуации в регионе для выявления ее виновников (вместе с анализом данных прямых измерений или вместо них, когда их получение не представляется возможным) или при прогнозировании экологической обстановки при вводе в действие или реконструкции тех или иных источников антропогенного воздействия на окружающую среду и определении размера затрат на уменьшение количества вредных выбросов в окружающую среду. Точность моделирования текущей ситуации в этом случае, как правило, невелика, но достаточна для выявления очагов загрязнения и выработки адекватного управляющего воздействия на технологическом и экономическом уровнях. В настоящее время существует ряд методик и самостоятельных программных средств (не входящих в состав ГИС), позволяющих определять поля концентраций загрязняющих веществ по результатам решения уравнений, описывающих с той или иной сте
пенью приближения рассеяние примесей в атмосфере или водной среде. В качестве нормативной для моделирования процессов в атмосфере утверждена методика ОНД-86.
Широкие интеграционные возможности ГИС позволяют использовать в качестве источников информации внешние специализированные расчетные модули и программные средства Поэтому их включение в состав ГИС ЕЭМ не вызывает особенных трудностей.
Таким образом, ГИС ЕЭМ позволяет эффективно реализовать комплексный подход к решению задач обеспечения экологической безопасности региона и создает единое информационное пространство для служб управления регионом.
ЛИТЕРАТУРА Цветков В Я Геоинформационные системы и технологии М Финансы и статистика, 1998 Бигаевский Л М, Вахромеева Л А Картографические проекции М Недра, 1992 Коновалова Н В, Капралов Е Г Введение в ГИС Петрозаводск Изд-во Петрозаводского университета, 1995 Разработка ГИС мониторинга лесных пожаров России иа основе ARC View CIS 30 и глобальной сети Internet / С А Барталев, А И Беляев, Д В Ершов и др / / ARC REVIEW (современные геоинформационные технологии) 1998 № 1 Озеров Ю, Сясин В ARC /INFO и ARC View в МЧС России // ARC REVIEW (современные геоинформационные технологии) 1997 № 2 Матросов А С Информационные технологии в системе управления отходами Учеб пособие М УРАО, 1999
ГИС (географические информационные системы) позволяет рассматривать данные по анализируемым проблемам относительно их пространственных взаимоотношений, что позволяет проводить комплексную оценку ситуации и создает основу для принятия более точных и разумных решений в процессе управления. Объекты и процессы, описываемые в ГИС, являются частью повседневной жизни, и почти каждое принимаемое решение ограничивается, связывается или бывает продиктовано тем или иным пространственным фактором. На сегодняшний день возможность использования ГИС сочетается с потребностью в них, следствием чего является быстрый рост их популярности.
Роль и место ГИС в природоохранных мероприятиях
2.1. Деградация среды обитания
ГИС с успехом используется для создания карт основных параметров окружающей среды. В дальнейшем, при получении новых данных, эти карты используются для выявления масштабов и темпов деградации флоры и фауны. При вводе данных дистанционных, в частности спутниковых, и обычных полевых наблюдений с их помощью можно осуществлять мониторинг местных и широкомасштабных антропогенных воздействий. Данные об антропогенных нагрузках целесообразно наложить на карты зонирования территории с выделенными областями, представляющими особый интерес с природоохранной точки зрения, например парками, заповедниками и заказниками. Оценку состояния и темпов деградации природной среды можно проводить и по выделенным на всех слоях карты тестовым участкам.
2.2. Загрязнение
С помощью ГИС удобно моделировать влияние и распространение загрязнения от точечных и неточечных (пространственных) источников на местности, в атмосфере и по гидрологической сети. Результаты модельных расчетов можно наложить на природные карты, например карты растительности, или же на карты жилых массивов в данном районе. В результате можно оперативно оценить ближайшие и будущие последствия таких экстремальных ситуаций, как разлив нефти и других вредных веществ, а также влияние постоянно действующих точечных и площадных загрязнителей.
2.3. Землевладение
ГИС широко применяются для составления и ведения разнообразных, в том числе земельных, кадастров. С их помощью удобно создавать базы данных и карты по земельной собственности, объединять их с базами данных по любым природным и социально-экономическим показателям, накладывать соответствующие карты друг на друга и создавать комплексные (например, ресурсные) карты, строить графики и разного вида диаграммы.
2.4. Охраняемые территории
Еще одна распространенная сфера применения ГИС – сбор и управление данными по охраняемым территориям, таким как заказники, заповедники и национальные парки. В пределах охраняемых районов можно проводить полноценный пространственный мониторинг растительных сообществ ценных и редких видов животных, определять влияние антропогенных вмешательств, таких как туризм, прокладка дорог или ЛЭП, планировать и доводить до реализации природоохранные мероприятия. Возможно выполнение и многопользовательских задач, таких как регулирование выпаса скота и прогнозирование продуктивности земельных угодий. Такие задачи ГИС решает на научной основе, то есть выбираются решения, обеспечивающие минимальный уровень воздействия на дикую природу, сохранение на требуемом уровне чистоты воздуха, водных объектов и почв, особенно в часто посещаемых туристами районах.
2.5. Восстановление среды обитания
ГИС является эффективным средством для изучения среды обитания в целом, отдельных видов растительного и животного мира в пространственном и временном аспектах. Если установлены конкретные параметры окружающей среды, необходимые,например, для существования какого-либо вида животных, включая наличие пастбищ и мест для размножения, соответствующие типы и запасы кормовых ресурсов, источники воды, требования к чистоте природной среды, то ГИС поможет быстро подыскать районы с подходящей комбинацией параметров, в пределах которых условия существования или восстановления численности данного вида будут близки к оптимальным. На стадии адаптации переселенного вида к новой местности ГИС эффективна для мониторинга ближайших и отдаленных последствий предпринятых мероприятий, оценки их успешности, выявления проблем и поиска путей по их преодолению.
2.6. Мониторинг
По мере расширения и углубления природоохранных мероприятий одной из основных сфер применения ГИС становится слежение за последствиями предпринимаемых действий на локальном и региональном уровнях. Источниками обновляемой информации могут быть результаты наземных съемок или дистанционных наблюдений с воздушного транспорта и из космоса. Использование ГИС эффективно и для мониторинга условий жизнедеятельности местных и привнесенных видов, выявления причинно-следственных цепочек и взаимосвязей, оценки благоприятных и неблагоприятных последствий предпринимаемых природоохранных мероприятий на экосистему в целом и отдельные ее компоненты, принятия оперативных решений по их корректировке в зависимости от меняющихся внешних условий.
условиях возрастающего антропогенного воздействия на окружающую природную среду с особо остротой встает задача анализа и оценки состояния компонентов окружающей природной среды. Положение усугубляется и за счет неадекватной реакции различных экосистем и ландшафтов на поступление продуктов человеческой деятельности. Существующие традиционные методы анализа экологической ситуации (статистические, имитационного моделирования) в условиях синергизма многочисленных факторов окружающей природной среды часто не дают должного эффекта или вызывают большие технические трудности при их реализации.
Использование информационного подхода, базирующегося на новых информационных технологиях (геоинформационных и экспертных системах), позволяет не только количественно описать процессы, происходящие в сложных эко- и геосистемах, но и, смоделировав механизмы этих процессов, научно обосновать методы оценки состояния различных компонентов окружающей природной среды.
К числу наиболее актуальных задач в данной области следует отнести прежде всего задачу создания нового и/или адаптации
существующего в других областях знаний программного обеспечения (геоинформационных, информационно-советующих и экспертных систем), позволяющего обрабатывать огромные потоки информации, оценивать реальное состояние экосистем и на этой базе рассчитывать оптимальные варианты допустимого антропогенного воздействия на окружающую среду в целях рационального природопользования.
Анализ экологической информации включает |Ю.А. Израэль, 1984]:
Анализ эффектов воздействия различных факторов на окружающую среду (выявление критических факторов воздействия и наиболее чувствительных элементов биосферы);
Определение допустимых экологических воздействий и нагрузок на компоненты окружающей среды с учетом комплексного и комбинированного воздействия на экосистему;
Определение допустимых нагрузок на регион с эколого-эко-номических позиций.
Этапы информационного анализа экологической информации включают следующие стадии:
1) сбор информации о состоянии окружающей среды: экспедиционные исследования; стационарные исследования;
аэровизуальные наблюдения; дистанционное зондирование; космическая и аэрофотосъемка; тематическое картографирование; гидрометеорологические наблюдения; система мониторинга; литературные, фондовые и архивные данные;
2) первичная обработка и структуризация:
кодирование информации; преобразование в машинную форму; цифрование картографического материала; обработка изображений; структуризация данных; приведение данных к стандартному формату;
3) заполнение базы данных и статистический анализ: выбор логической организации данных; заполнение базы данных и редактирование; интерполяция и экстраполяция недостающих данных; статистическая обработка данных; анализ закономерностей в поведении данных, выявление трендов и доверительных интервалов;
4) моделирование поведения экосистем;
использование усложняющихся моделей; варьирование граничными условиями; имитация поведения экосистем при единичных воздействиях; картографическое моделирование; исследование диапазонов отклика при различных воздействиях;
5) экспертное оценивание:
оценка диапазонов изменения воздействий на экосистемы; оценка поведения экосистем при различных воздействиях по принципу «слабого звена»;
6) анализ неопределенности:
входных данных; параметров моделей; результатов моделирования; величин экспертных оценок;
7) выявление закономерностей и прогнозирование экологических последствий:
разработка возможных сценариев поведения экосистем; прогнозирование поведения экосистем; оценка результатов различных сценариев;
8) принятие решений по ограничению воздействий на окружающую природную среду:
выработка «щадящих» (сберегающих) стратегий сокращения воздействий на окружающую природную среду; обоснование выбранных решений (экологическое и социально-экономическое).
Экспертпо-моЬелирующая геоинформациоюшя система (ЭМ ГИС) представляет собой объединение общим пользовательским интерфейсом обычной ГИС с оболочкой экспертной системы и блоком математического моделирования.
Крити ческие нагрузки (КН) на экосистемы - это «максимальное выпадение подкисляющих соединений, не вызывающее в течение длительного периода вредных последствий для структуры и функций этих экосистем» Критические нагрузки являются индикатором устойчивости экосистем. Они обеспечивают значение максимально «разрешимой» нагрузки загрязняющего вещества, при которой практически не происходит разрушения биогеохимической структуры экосистемы. Чув-тельноеть экосистемы например, к кислотным выпадениям может быть определена измерением или оцениванием определенных физических или химических параметров экосистемы; тем самым может быть идентифицирован уровень кислотных выпадений, который не оказывает или оказывает крайне незначительное влияние на эту чувствительность.
В настоящий момент экологические ГИС представляют собой сложные информационные системы, включающую мощную операционную систему, интерфейс пользователя, системы ведения баз данных и отображения экологической информации. Требования к экологической ГИС созвучны требованиям к идеальной ГИС, предложенной в работе
1) возможность обработки массивов покомпонентной гетерогенной пространственно-координированной информации;
2) способность поддерживать базы данных для широкого класса географических объектов;
3) возможность диалогового режима работы пользователя;
4) гибкая конфигурация системы, возможность быстрой настройки системы на решение разнообразных задач;
5) способность «воспринимать» и обрабатывать пространственные особенности геоэкологических ситуаций.Большое значение имеет способность современных ГИС преобразовывать имеющуюся экологическую информацию с помощью различных моделей (способность к синтезу).
Принципиальное отличие ГИС от экологических баз данных состоит в их пространственное™ благодаря использованию картографической основы [ВХ.Давыдчук и др., 1988], Поэтому в задачах оценки состояния окружающей природной среды необходим переход с использованием ГИС от биогеоиенотического уровня рассмотрения проблемы к ландшафтному. При этом в качестве основы ГИС используется ландшафтная карта, по которой в автоматизированном режиме строится серия частных карт, характеризующих основные компоненты ландшафта. Следует подчеркнуть, что экологическое картографирование не сводится к покомпонентному картографированию природной организации региона и распределения антропогенной нагрузки. Не следует также думать, что экологическое картографирование представляет собой набор карт по величинам ЛДК различных загрязняющих веществ. Под экологическим картографированием прежде всего понимается способ визуализации результатов экологической экспертизы, выполненной на качественно новых подходах. Поэтому очень важна синтезирующая роль этого способа представления информации.
Использование ГИС-технологий в экологии подразумевает широкое применение различного вида моделей (в первую очередь имеющих экологическую направленность). Поскольку экологическое картографирование окружающей природной среды опирается на представление о биогеохимических основах миграции загрязняющих веществ в природных средах, при создании ГИС для этих целей наряду с экологическими моделями требуется построение моделей, реализованных на принципах и подходах географических наук (гидрологии, метеорологии, геохимии ландшафта и др,). Тем самым модельная часть ГИС развивается в двух направлениях:
1) математические модели динамики процессов миграции вещества;
2) алгоритмы автоматизированного представления модельных результатов в виде тематических карт. В качестве примера моделей первой группы отметим модели поверхностного стока и смыва, инфильтрационного питания грунтовых вод, русловых процессов и т.д. Типичными представителями второй группы являются алгоритмы построения контуров, вычисления площадей и определения расстояний.
Используя описанную методологию, мы разработали концепцию экологической ГИС, которая была апробирована на двух масштабных уровнях: локальном и региональном. Первый использовался для обработки и визуализации информации, хранящейся в банке данных экологического мониторинга для Московской области. Это послужило ОСНОВОЙ разрабо*
тайной затем экспертно-моделируюшей ГИС для определения параметров экологически допустимого воздействия на агроландшаф-ты Московской области.
Работа экологической ГИС на региональном уровне была продемонстрирована при картографировании критических нагрузок серы и азота на экосистемы европейской части России и оценке устойчивости экосистем и ландшафтов Таиланда к кислотным выпадениям.
Задача количественной оценки факторов окружающей природной среды при анализе материалов экологического мониторинга имеет следующие особенности:
1) предпочтительна информация, имеющая площадной характер (полигоны и связанные с ними атрибуты). Информация, связанная с точечными объектами, используется как вспомогательная;
2) необходима оценка погрешностей хранящихся данных. Наряду с относительно точными картографическими данными присутствуют результаты замеров в различных точках (чаще по нерс-гулярной сетке), значения которых не точны;
3) применимы как точные математические модели, позволяющие строить прогнозы на базе решения сеточных уравнений, так и размытые экспертные правила, построенные на вероятностной основе;
4) неизвестно, сколько тематических атрибутов потребуется эксперту-специалисту для проведения оценок факторов. Возмож но, не понадобится вся хранимая в базе информация, но взамен предпочтительно увеличить скорость выполнения запросов;
5) запросы к базе данных в основном двух типов (дать список атрибутов, характеризующих данную точку на карте; высветить области на карте, обладающие необходимыми свойствами).
Исходя из этих особенностей, разрабатывалась модульная сие тема, ядром которой являлась картографическая база данных. Был предусмотрен интерфейс, позволяющий работать с системой как специалисту-пользователю, так и экспертно-моделирующей над стройке. Последнее необходимо по двум причинам. Во-первых, с целью использования пространственной информации для моделирования процессов переноса загрязняющих веществ (ЗВ) с помощью моделей, непосредственно не входящих в разработанную систему. Во-вторых, для использования экспертных оценок, компенсирующих неполноту, неточность и противоречивость результатов экологического мониторинга. Устройство разработанной логической модели для картографической базы данных характеризуется следующими особенностями,
1. Любую карту можно представить как пакет прозрачных лис тов, каждый из которых имеет одну и ту же координатную привя i ку. Каждый из таких листов разбивается по одному из картографируемьгх признаков. Один лист показывает, например, только типы почв, другой - только реки и т.д. Каждому из таких листов в базе данных отвечает класс агрегатов данных, где каждый объект данного класса описывает одну конкретную область с приписанным к ней атрибутом. Таким образом, база данных на верхнем уровне представляет собой дерево, верхние узлы которого представляют классы, а нижние - конкретные объекты классов. В любой момент можно добавить в базу или удалить из базы один или несколько классов агрегатов данных. С точки зрения модели - вставить или вытащить из пакета один или несколько листов.
2. База данных отвечает на оба типа необходимых запросов. Типы запросов легко представить, пользуясь иллюстрацией пакета прозрачных листов. Запрос об атрибутах точки соответствует «прокалыванию» пакета в необходимом месте и рассмотрению, где проколот каждый лист. Интерпретация запроса второго типа также очевидна. Особенность состоит в том, что результатом выполнения запроса о нахождении областей является полноправный класс, т в е. еще один прозрачный лист пакета листов, образующих карту. Это свой* ство позволяет экспертным надстройкам обрабатывать слои Kapi ы, полученные после выполнения запроса, так же как и простые слои.
3. Информация о точечных замерах хранится в базе в виде отношений «координаты-атрибут», но при использовании в конкретном приложении переводится в полигонную форму путем интерполяции, например, базируясь на мозаиках Вороного.
4. Информация о строго точечных объектах - триангуляционных знаках, колодцах и т.д. хранится в агрегатах данных с фиксированным числом возможных тематических атрибутов.
5. Линейные объекты хранятся как сеть с описанием топологии сети.
Таким образом, база данных ориентирована прежде всего на экономное хранение и эффективную обработку данных, имеющих характер полигонов (областей). Поскольку каждый лист картографируется только по одному атрибуту, он разбивается на довольно большие участки, что ускоряет выполнение запросов первого типа, которые являются типичными для численного моделирования на сетке.
Отдельно стоит сказать о вводе карт. Оцифровка карт с помощью дигитайзера дает очень высокую точность и является самым распространенным способом в экологических исследованиях до настоящего времени. Однако такой метод требует значительных временных и денежных затрат. Практика последнего времени убеждает, что для целей оцифровки удобнее применять сканер. Картинки, полученные со сканера, оцифровываются с помощью курсора мыши на экране компьютера. Этот метод позволяет:
Дать конечному пользователю самому определять необходимую точность оцифровки изображений, так как сканер высокого разрешения позволяет вывести на экран сильно увеличенное изображение цифруемой картинки, что дает возможность обеспечить практически ту же точность, что и при изготовлении карты;- уменьшить сложность ввода изображения, связанную с необходимостью помнить, какая часть изображения уже оцифрована.
Экологическая информация должна быть структурирована так. чтобы ей было удобно пользоваться как для анализа сложившейся экологической ситуации, так и для принятия решений и выдачи рекомендаций по реализации этих решений в целях рационального природопользования. Структурированная информация составляет основу информационного обеспечения, которое интегратив но и состоит из следующих блоков:
Блок данных природной организации территории, содержащий сведения о почвенно-геологической, гидрохимической, гидрогеологической, растительной характеристиках территории, местном климате, а также оценку факторов самоочищения ландшафтов;
Блок данных о техногенных потоках в регионе, их источи и ках, характере взаимодействия с транзитными и депонирующими средами;
Блок нормативной информации, содержащий совокупность экологических, эколого-технических, санитарно-гигиенических нормативов, а также нормативов размещения загрязняющих производств в природных системах.
Эти блоки составляют каркас регионального банка данных, необходимых для принятия экологически обоснованных решений п целях рационального природопользования.
Описанные блоки информационного обеспечения, как отмечалось, включают десятки и даже сотни параметров. Поэтому при формировании региональных ГИС, где количество типов экосистем составляет сотни и даже тысячи, размерность информационных массивов резко возрастает. Тем не менее простое увеличение объемов хранимых данных не создает таких трудностей, как расширение тематического содержания данных. Поскольку информация в ГИС хранится в единой информационной среде, предполагающей общность процессов поиска и выборки данных, то любое включение новых тематических данных предполагает реструктуризацию информации, включающую классификацию, определение взаимозависимости, иерархичности, пространственно-временного масштаба параметров различных компонентов экосистем.
Ранее отмечалось, что экологические базы данных составляют основу современной ГИС, причем такие базы данных содержат как пространственную, так и тематическую информацию. Многоцелевое назначение ГИС предъявляет ряд требований к методам построения баз данных и систем управления этими базами. Ведущая роль в формировании баз данных отводится тематическим
картам. В силу специфики решаемых задач и требований по детальности прорабатываемых вопросов основу баз данных составляют средне- и крупномасштабные карты, а также их тематическое наполнение.
Необходимость решения разнообразных задач экологического нормирования и почвенно-экологического прогнозирования, включая изучение миграции загрязняющих веществ во всех природных средах, требует сбора и ввода в банк данных информации по всем компонентам природной среды. Это традиционный путь построения современных ГИС, где вся информация хранится в виде отдельных слоев (каждый слой представляет отдельный компонент окружающей среды или его элемент). Основу таких ГИС составляет, например, карта рельефа [В, В. Бугровский и др., 19861, над которой надстраивается система карт отдельных компонентов (почва, растительность и т.д.). Вместе с тем отдельные компоненты не могут дать полного представления о природе региона. В частности, простое совмещение различных покомпонентных карт не дает знаний о ландшафтной структуре региона. Попытки построения карт геосистем или ландшафтной карты путем совмещения отдельных частей карт неизбежно сталкиваются с трудностью взаимоувязки и взаимосогласования контурной и содержательной части отдельных карт, выполненных, как правило, на разных принципах. Естественно, что автоматизация такой процедуры сталкивается с массой сложностей. Поэтому для формирования банков данных в структуре ГИС, где разнообразие экосистем и ландшафтов играет решающую роль в изучении динамики природных процессов и явлений, целесообразно в качестве основы формирования ГИС выбрать ландшафтную модель территории, которая включает в себя блоки для отдельных компонентов экосистем и ландшафтов (почва, растительность и т.д.).
Такой подход был использован при создании ГИС на территории Киевской области [В.С.Давыдчук, ВТ.Линник, 1989]. Вэтом случае ландшафтному блоку ГИС отводится ведущее значение в организации ГИС.
Ландшафтная карта дополняет ряд покомпонентных карт (литология, растительность и др.). В итоге отпадает необходимость в сведении покомпонентных карт к единой контурной и содержательной основе, а также вместо ряда покомпонентных карт в банк данных иногда вводится только одна ландшафтная карта, что существенно экономит подготовительные работы по вводу карты в ЭВМ и размер дисковой памяти под оцифрованные данные.
Ландшафтная карта дает только обобщенное представление о структуре геосистем и ее компонентов. Поэтому в зависимости от характера решаемых задач используются также другие тематические карты, например, гидрологическая, почвенная. Ландшафтный блок ГИС в таком
ческой структуры, т.е. вся поступающая новая картографическая информация должна быть «уложена» в структуру выделенных контуров экосистем. Это обеспечивает возможность единообразного использования различных покомпонентных карт.
Особое место в ГИС отводится цифровой модели местности (ЦММ). Она является основой не только для геодезического контроля, но также и для корректировки содержательной части используемых карт с учетом ландшафтной структуры региона. Назначение ландшафтного блока заключается не только в отображении компонентной и пространственной структуры геосистем, но и в выполнении роли самостоятельного источника взаимоувязанной информации о различных природных процессах. Так, на основе ландшафтной карты возможно построение рахличных оцс ночных карт по отдельным компонентам (например, карты влияния растительного покрова на эоловый перенос) и интегральных, характеризующих определенные свойства геосистем в целом (например, миграционную способность радионуклидов в различных типах ландшафтов).
Предложенные принципы организации информационного обеспечения позволили разработать методику оценки критических нагрузок, основанную на использовании экспертно-моделирую-тих геокнформаднонкых систем (ЭМ ГИС) для специфических условий России, где огромные пространственные выдслы характеризуются недостаточной степенью информационной насыщенности. Привлечение ЭМ ГИС, реализуемых на современных компьютерах, позволило количественно реализовать методику на практике. ЭМ ГИС могут оперировать базами данных и базами знаний, относящимися к территориям с высокой степенью пространственной разнородности и неопределенности информационного обеспечения. Как правило, такие системы включают и себя количественную оценку различных параметров миграционных потоков изучаемых элементов на выбранных репрезентативных ключевых участках, разработку и адаптацию алгоритма, описывающего эти потоки и циклы, и перенесение полученных закономерностей на другие регионы, имеющие сходные характеристические признаки с ключевыми участками. Такой подход, естественно, требует наличия достаточного картографического обеспечения, например, необходимы карты почвенного покрова, геохимического и гидрогеохимического районирования, карты и картосхемы различного масштаба по оценке биопродуктивности экосистем, их устойчивости, самоочишаюшей способности и т.д. На основании этих и других карт, а также баз данных, сформированных на ключевых участках, и используя экспертно-моделируюшие гсоинформаии-онные системы, возможна корректная интерпретация для лругих менее изученных регионов. Этот подход наиболее реалистичен для специфических условий России, где детальные экосистемные исследования выполнены, как правило, на ключевых участках, а огромные пространственные выделы характеризуются недостаточной степенью информационной насыщенности.
Информация, содержащаяся в Интернете, позволяет достаточно объективно оценить современное состояние ГИС-приложений в области экологии. Многие примеры представлены на сайтах российской ГИС-Ассоциации, фирмы «ДАТА+», многочисленных сайтах западных университетов. Ниже перечислены основные области использования ГИС-технологий для решения экологических задач.
Деградация среды обитания. ГИС с успехом используется для создания карт основных параметров окружающей среды. В дальнейшем, при получении новых данных, эти карты используются для выявления масштабов и темпов деградации флоры и фауны. При вводе данных дистанционных, в частности спутниковых, и обычных полевых наблюдений с их помощью можно осуществлять мониторинг местных и широкомасштабных антропогенных воздействий. Данные о антропогенных нагрузках целесообразно наложить на карты зонирования территории с выделенными областями, представляющими особый интерес с природоохранной точки зрения, например парками, заповедниками и заказниками. Оценку состояния и темпов деградации природной среды можно проводить и по выделенным на всех слоях карты тестовым участкам.
Загрязнение. С помощью ГИС удобно моделировать влияние и распространение загрязнения от точечных и неточечных (пространственных) источников на местности, в атмосфере и по гидрологической сети. Результаты модельных расчетов можно наложить на природные карты, например карты растительности, или же на карты жилых массивов и данном районе. В результате можно оперативно оценить ближайшие и будущие последствия таких экстремальных ситуаций, как разлив нефти и других вредных веществ, а также влияние постоянно действующих точечных и площадных загрязнителей.
Охраняемые территории. Еще одна распространенная сфера применения ГИС - сбор и управление данными по охраняемым территориям, таким, как заказники, заповедники и национальные парки. В пределах охраняемых районов можно проводить полноценный пространственный мониторинг растительных сообществ ценных и редких видов животных, определять влияние антропогенных вмешательств, таких, как туризм, прокладка дорог или ЛЭП, планировать и доводить до реализации природоохранные мероприятия. Возможно выполнение и многопользовательских задач - регулирование выпаса скота и прогнозирование продуктивности земельных угодий. Эти задачи ГИС решают на научной основе, т.е. выбираются решения, обеспечивающие минимальный
уровень воздействия на природу, сохранение на требуемом уровне чистоты воздуха, водных объектов и почв, особенно в часто посещаемых туристами районах.
Неохраняемые территории. Региональные и местные руководящие структуры широко применяют возможности ГИС для получения оптимальных решений проблем, связанных с распределением и контролируемым использованием земельных ресурсов, улаживанием конфликтных ситуаций между штадельпем и арендаторами земель. Полезным и зачастую необходимым бывает сравнение текущих границ участков землепользования с зонированием земель и перспективными планами их использования. ГИС обеспечивает также возможность сопоставления границ землепользования е требованиями природы. Например, в ряде случаев бывает необходимым зарезервировать коридоры миграции диких животных через освоенные территории между заповедниками или национальными парками. Постоянным сбор и обновление данных о границах землепользовании может оказать большую помощь при разработке природоохранных, втом числе административных и законодательных, мер, отслеживать их исполнение, своевременно вносить изменения и дополнения в имеющиеся законы и постановления на основе базовых научных экологических принципов и концепций.
Восстановление среды обитания. ТИС является эффективным средством для изучения среды обитания в целом, отдельных видов растительного и животного мира в пространственном и временном аспектах. Если установлены конкретные параметры окружающей среды, необходимые, например, для существования какого-либо вила животных, включая наличие пастбищ и мест для размножения, соответствующие типы и запасы кормовых ресурсов, источники воды, требования к чистоте природной среды, то ГИС поможет быстро подыскать районы с подходящей комбинацией параметров, в пределах которых условия существования или восстанопления численности данного вида будут близки к оптимальным. На стадии адаптации переселенного вида к новой местности ГИС эффективна для мониторинга ближайших и отдаленных последствий принятых мероприятий, оценки их успешности, выявления проблем и поиска путей по их преодолению.
Междисциплинарные исследования (экология и медицина/демография/климатология). Интегральные функциональные возможности ГИС в наиболее явном виде проявляются и благоприятствуют успешному проведению совместных междисциплинарных исследований. Они обеспечивают объединение и наложение друг на друга любых типов данных, лишь бы их можно было отобразить на карте. К подобным исследованиям относятся, например, такие: анализ взаимосвязей между здоровьем населения и разнообразными (природными, демографическими, экономическими) факторами; количественная оценка влияния параметров окружающей среды на состояние локальных и региональных экосистем и их составляющих; определение доходов землевладельцев в зависимости от преобладающих типов почв, климатических условий, удаленности от городов и др.; выявление численности и плотности ареалов распространения редких и исчезающих видов растений в зависимости от высоты местности, угла наклона и экспозиции склонов.
Экологическое образование. Поскольку создание бумажных карт с помощью ГИС значительно упрощается и удешевляется, появляется возможность получения большого количества разнообразных экологических карт, что расширяет возможности и широту охвата программ и курсов экологического образования. Ввиду простоты копирования и производства картографической продукции ее может использовать практически любой ученый, преподаватель или студент. Более того, стандартизация формата и компоновки базовых карт служит основой для сбора и демонстрации данных, получаемых учащимися и студентами, обмена данными между учебными заведениями и создания единой базы по регионам и it национальном масштабе. Можно подготовить специальные карты для землевладельцев с целью ознакомления их с планируемыми природоохранными мероприятиями, схемами буферных зон и экологических коридоров, которые создаются в данном районе и могут затронуть их земельные участки,
Экотуризм. Возможность быстрого создания привлекательных, красочных и в то же время качественных профессионально составленных карт делает ГИС идеальным средством создания рекламных и обзорных материалов для вовлечения публики в быстро развивающуюся сферу экотуризма. Характерной чертой так называемых «экотуристов» является глубокая заинтересованность в подробной информации о природных особенностях данной местности или страны, о происходящих в природе процессах, связанных с экологией в широком смысле. Среди этой достаточно многочисленной группы людей большой популярностью пользуются созданные с помощью ГИС научно-образовательные карты, отображающие распространение растительных сообществ, отдельных видов животных и птиц, области эндемиков и т.д. Подобная информация может оказаться полезной для целей экологического образования или для туристских агентств, для получения дополнительных средств из фондов проектов и национальных программ, поощряющих развитие путешествий и экскурсий.
Мониторинг. По мере расширения и углубления природоохранных мероприятий одной из основных сфер применения ГИС становится слежение за последствиями предпринимаемых действий на локальном и региональном уровнях. Источниками обновляемой информации могут быть результаты наземных съемок или дистанционных наблюдений. Использование ГИС эффективно и для мониторинга условий жизнедеятельности местных и привнесенных видов, выявления причинно-следственных цепочек и взаимосвязей, оценки благоприятных и неблагоприятных последствий предпринимаемых природоохранных мероприятий на экосистему в целом и отдельные ее компоненты, принятия оперативных решений по их корректировке в зависимости от внешних условий.
Теперь обратимся к конкретным реализованным экологическим проектам с использованием ГИС-технологий. Все приводимые ниже примеры взяты из опубликованных в Интернете обзоров, материалов конференций и других публикаций.
Экологический мониторинг и контроль нефтепровода Россия - Китай (С. Г. Кореей, Е.О.Чубай РАО «РОСНЕФТЕГАЗСТРОЙ»). Как правильно отмечено авторами, строительство трубопровода влечет за собой воздействие на состояние окружающей среды, флоры и фауны, но при грамотном и рациональном подходе к трассированию и непосредственно строительству изменение экосистемы может быть сведено к минимуму. Основополагающий аспект экологически грамотного проектирования нефтепровода заключается в смягчении воздействия на геосистемы и в использовании специальных технических приемов для стабилизации их состояния на некотором приемлемом уровне. При правильно выполненных изысканиях, достаточной базе пространственных данных, грамотном инженерно-геологическом прогнозе, а также при хорошей организации и выполнении работ с использованием технологий ГИС негативные явления могут быть сведены к минимуму. Поэтому важно выполнять все этапы экологических изысканий, прогноза и мониторинга.
Как известно, ГИС-тсхнологии применяются при решении задач построения многоуровневых информационных баз пространственных данных, обеспечивающих доступ ко всему комплексу ресурсов эффективным и наглядным способом. Это позволяет генерализовать информацию для успешного решения задач управления нефтепроводом, его инвентаризации и отслеживания состояния и ресурса. Кроме того, ГИС доказали свою высокую эффективность и при решении различных оперативных задач в процессе эксплуатации нефтепровода, в том числе в условиях чрезвычайных ситуаций. Исходя из этого, уже на первых стадиях проектирования нефтепровода Россия - Китай был произведен ГИС-анализ, позволяющий понять закономерности и взаимные отношения теографических данных и объектов. Результаты анализа позволяют проникнуть в суть происходящего в данном месте, координировать действия и выбрать лучший вариант решения. Совместное применение ГИС и данных дистанционного зондирования резко повышает оперативность и качество решений, направленных на ликвидацию аварий и минимизацию их последствий.
Исследования по опенке воздействия на окружающую среду проектируемого нефтепровода включали следующие этапы:
Анализ состояния территории, на которую может оказать влияние намечаемая деятельность;
Выявление возможных воздействий на окружающую среду;
Оиенка воздействий на окружающую среду;
Определение мероприятий, уменьшающих, смягчающих или предотвращающих негативные воздействия;
Оценка значимости остаточных воздействий на окружающую среду и их последствий;
Разработка программы экологического мониторинга и контроля на всех этапах реализации намечаемой деятельности.
Для выполнения работ по оценке экологической ситуации нефтепровода Россия-Китай был проведен многосторонний анализ информации. Разработана система экологического мониторинга для успешного проведения больших объемов комплексных строительных работ в условиях законодательных ограничений, установленных в отношении природной среды.
Система природного мониторинга содержит информацию о текущем состоянии экосистемы и взаимодействует с системой прогнозного моделировании для оценки разных сценариев строительства нефтепровода в целях достижения наиболее экономичного решения с учетом экологического критерия.
Учитывая, что основой для работы региональной ГИС экологической направленности является цифровая модель рельефа (ЦМР), построение ЦМР проводилось с учетом основных географических закономерностей- Кроме горизонталей и отметок высот учитывались реки, мелкие озера, батиметрия крупных озер, отметки урезов воды и др.
Работы с.применением ГИС по анализу реальных и гипотетических ситуаций, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации нефтепровода, проведены с использованием функций ArcVicw Spatial Analyst и 3D Analyst. По построенным ЦМР водосборов были определены направления водотоков, рассчитаны протяженность, площадь и объем разлива нефти в случае аварии. Это позволило скорректировать трассу нефтепровода в обход наиболее уязвимых участков. Математическая модель местности (МММ) строилась на основе ЦМР высокого разрешения и ряда тематических слоев. По ней можно в автоматизированном режиме выделять водосборные бассейны для каждой точки поверхности, рассчитывать зоны затопления (загрязнения в случае разлива нефти), дальность распространения загрязнения с учетом почвенного покрова, растительности, гранулометрического состава грунтов, температурных параметров (воздуха и грунта), наличия осадков в момент ЧС, величины снежного покрова и т.д. Такой подход к выбору трассы позволяет минимизировать риски и значительно уменьшить масштабы негативных последствий возможных техногенных катастроф в данном районе. Учитывая высокую сейсмичность региона, данный подход является практически единственно возможным.
ГИС в решении радиационных проблем Кольского полуострова. Как правильно отмечено авторами, для выполнения работ по оценке радиационного риска региона необходим качественный анализ доступной информации и характеристик о радиоционно-опасных объектах (РОО). Помочь решению проблемы могут современные методы работы с пространственно распределенными наборами данных, в первую очередь ГИС. Работы с применением ГИС по анализу реальных и гипотетических ситуации, возникающих на РОО, ведутся не первый год, в том числе и п нашей стране. В Кольском научном центре РАН и, в частности, в Институте проблем промышленной экологии Сеие-ра КНЦ РАН исследуются экологические аспекты радиационной проблематики Кольского полуострова и региона. Основные задачи состоят в следующем:
Используя ГИС, сделать открытые данные по РОО региона более наглядными и убедительными, а проблему -- более внятной;
Расширить доступ заинтересованных лиц к этим данным;
На основе результатов компьютерного моделирования аварийных ситуаций на РОО и ГИС-анализа радиационного риска территорий выполнить построение соответствующих электронных карт;
Облегчить создание обшего языка, интерфейса общения для отечественных и международных заинтересованных инстанций на всех уровнях, с целью продуктивного обсуждения проблемы и поисков средств и способов ее решения.
В настоящее время разработана структура и некоторые предварительные блоки ГИС региона, соответствующие кругу рассматриваемых вопросов. Основная цель разработки - на основе технологии ГИС создать информационный модуль, чтобы:
Систематизировать и структурировать информацию по РОО региона;
Анализировать радиационные проблемы в регионе;
Подготавливать исходные данные для математического моделирования атмосферного переноса радионуклидов и оценки риска в районах расположения ядерных энергетических установок (ЯЭУ).
Области ее применения включают; региональные системы радиационного мониторинга и автоматизированные системы (локальные, региональные) поддержки принятия решений в случае возникновения аварии на ядерных объектах.
Информационная поддержка:
Природоохранных предприятий и организаций региона;
Научно-исследовательских проектов и проектно-изыскатель-ских работ;
Органов государственного надзора и ведомств по чрезвычайным ситуациям.
База данных ГИС будет включать в себя объекты, сгруппированные в несколько слоев. На первом этапе были выбраны те объекты и в том объеме, которые обеспечены открытыми источниками информации: АЭС, затопленные корабли с твердыми радиоактивными отходами, места затопления ядерных реакторов, места проведения ядерных взрывов, места инцидентов с атомными подводными лодками, места запуска космических аппаратов в регионе (космодромы). Исходная информация для баз данных была получена из опубликованных источников и по результатам поиска в Интернет. В роботе по конструированию ГИС использовались следующие продукты фирмы ESRI, Тпс:
- Arclnfo - для создания слоен карты (со встроенной картой мира в проекции Робинсона в качестве картографической основы);
Язык AML - для разработки интерфейса к базе данных;
ArcExplorer I.I - для презентаций карт на персональном компьютере.
Ниже приводятся краткие описания выбранных объектов.
Реакторы атомных электростанций. В базу ГИС ко энергоблокам АЭС включены данные по 21 блоку 12 станций, включая Би-либинскую АЭС и Норильский экспериментальный реактор.
Предварительная версии разрабатываемой ГИС конструируется пока как локальный информационно-справочный модуль по радиационно-опасным объектам. Более перспективным является применение ГИС в региональных автоматизированных системах контроля радиационной обстановки и системах поддержки принятия решений на случай радиационных аварий. Институт проблем промышленной экологии Севера использует в настоящее время отдельные приложения ГИС-технологии для создания локальной Автоматизированной системы контроля радиационной обстановки Кольской АЭС.
ГИС все более активно используются для анализа радиационного риска региона. Это связано с тем, что используемые модели должны учитывать большие массивы важных пространственно распределенных параметров. Слияние математического моделирования с ГИС требует либо создания стандартного интерфейса между моделями и ГИС, либо разработки математических моделей в рамках ГИС-технологии. Реализованная в Arclnfo (начиная с версии 7.1.2) Открытая среда разработки приложений (ODE) позволяет объединять функциональные возможности Arclnfo и других прикладных программ через специально создаваемые интерфейсы с использованием стандартных сред программирования. ODE позволила включить множество прикладных программ в пространство ГИС-технологий. В семействе продуктов ESRI, Inc есть и другие модули, необходимые для рассматриваемого класса задач. К ним относятся серверы пространственных данных, картографические серверы Интернет/Интернет, модуль для встраивания карт и функций ГИС в собственные приложения, модули для моделирования природной среды.
По мнению авторов, применение ГИС поможет успешно приступить к решению задач инвентаризации, учета и контроля за состоянием радиационно-опасных объектов и самой территории региона, а также математического моделирования связанных с ними ситуаций.
Экологическая ГИС и система экологического мониторинга в Ямало-Ненецком автономном округе (О. Розанов, Отдел экологического мониторинга Государственного комитета по охране окружающей среды ЯНАО). В основу региональной ГИС была положена электронная карта масштаба I : 200 000, оцифрованная в системе Arclnfo в проекции Гаусса-Крюгсра на эллипсоиде Красовс-кого в системе прямоугольных координат 1942 г., после чего была произведена оценка точности оцифровки, которая подтвердила соответствие метрической информации точности исходных картографических материалов. Число слоев карты и их насыщенность полностью соответствуют каждому тиражному оттиску карты. По мере развития ГИС карта дополнялась объектами месторождений, лицензионных участков, особо охраняемых территорий (заказников, заповедников), инфраструктурой. Указанная информация была собрана и собирается по сей день из различных источников и переведена в покрытия Arclnfo. Самая свежая информация по обновлению тематики карт была получена в отделе со спутника «Ресурс-01»Первый этап обработки принимаемой информации заключается в просмотре изображения, географической привязке по орбитальным элементам, вырезке полезных фрагментов, коррекции привязки по реперным точкам на изображении, сохранении выбранных фрагментов и экспорте в исходные формы. Второй этап обработки снимков занимает процесс тематического дешифрирования. Практические навыки приобретались в полевых условиях Пуровского района на месторождениях Пограничное и Вынгаггу-ровское. Работы по обработке снимков выполнялись программным продуктом Maplnfo. Первые результаты работы с растровыми изображениями в Maplnfo показали оперативность и достаточную простоту в определении периметра и площадей выделяемых на снимке объектов (зоны затопления, гари и др.), а также в рисовке определенных участков рельефа и техногенных нарушений, имеющих особый интерес у контролирующих служб. На этом работа в Maplnfo и заканчивалась. Затем начинались проблемы по
трансформированию снимков в проекцию Гаусса-Крюгера и экспортированию е систему ArcView для работы с векторной картой. Определенная помощь в трансформировании снимков была получена при работе с программой Image Transformer, разработанной в ИТЦ Сканэкс, Однако после выхода модуля ArcView Image Analysis (ERDAS) работа существенно ускорилась.
В основу экологической ГИС города Салехарда была положена электронная карта масштаба 1: 10000, дополненная путем оцифровки планшетов масштаба 1:2000- При построении тематических слоев карты города Салехарда использовались новейшие данные застройки города, которые чаще всего предоставлялись в виде калек, планов и планшетов. Для трансформирования и привязки сканированных изображений в покрытия карты успешно использовался модуль ArcView Image Analysis. Также этот модуль был опробован для совмещения растрового изображения космоснимка зоны затопления в период половодья на реке Обь с векторной картой масштаба 1:200000. Благодаря удачной совместимости модуля с системой Arc View G1S были получены положительные результаты по созданию тематических цифровых карт на основе снимков и их обновлению. Таким образом, были оцифрованы материалы аэрофотосъемки, несущие в себе информацию об антропогенных нарушениях за пределами административной фаницы города Салехарда. Это разрабатываемые в настоящее время и старые не рекультивированные карьеры, площадки для складирования грунтов, неучтенные грунтовые дороги и тропы. Использование опорной информации по трансформированному участку местности дало возможность существенно улучшить точность геометрического преобразования без дополнительной интерполяции яркости пикселов на изображении.
Проводимая в отделе работа по использованию принимаемой спутниковой информации в ГИС региона представляет практический интерес как для контролирующих служб комитета, так и для других заинтересованных структур. Планируются совместные работы с Гидрометслужбой и службами навигации ледовой и метеорологической обстановки в Северных морях.
По причине непостоянства погодных условий Крайнего Севера, быстро сменяющих друг друга арктических циклонов и, как следствие, малого количества ясных дней, нецелесообразности приема оптических изображений в темные месяцы года весьма перспективными являются данные спутников с радарами бокового обзора (SAR), такими, как TRS и RADARSAT. А появление на вооружении мощной системы обработки данных дистанционного зондирования ERDAS Imagine позволяет отделу экологического мониторинга Государственного комитета по охране окружающей среды ЯНАО выступить инициатором широкого применения методов дистанционного зондирования в округе.
Система принятия управленческих решений в области экологии с применением ГИС-технологий (С. И, Козлов, Центр экологической безопасности администрации Нижегородской области). Автором сформулированы основные задачи, стоящие перед региональной информационно-аналитической системой поддержки принятия управленческих решений в области обеспечении экологической безопасности региона:
Подготовка интегрированной информации о состоянии окружающей среды, прогнозов вероятных последствий хозяйственной деятельности и рекомендаций по выбору вариантов безопасного развития региона;
Имитационное моделирование процессов, происходящих в окружающей среде, с учетом существующих уровней антропогенной нагрузки и возможных последствий принимаемых управленческих решений и возможных аварийных ситуаций;
Накопление информации по временным трендам параметров окружающей среди с целью экологического прогнозирования;
Обработка и накопление в базах данных результатов локального и дистанционного мониторинга, данных аэрокосмическнх снимков и выявление природных объектов, подвергшихся наибольшему антропогенному воздействию;
Обмен информацией о состоянии окружающей среды (импорт и экспорт данных) с экошчформационными системами других уровней;
Выдача информации при проведении экологической экспертизы и мероприятий процедуры оценки воздействия на окружающую среду (ОВОС);
Предоставление информации, необходимой ДЛЯ контроля за соблюдением природоохранного законодательства, для экологического образования, для средств массовой информации.
При реализации различных экологических проектов и их информационной поддержке экологической службой администрации области выдвигается требование наличия обменных форматов, используемых в различных организациях и согласования классификаторов, имеющейся экологической и сопутствующей информации. Данная работа координируется Центром экологической безопасности (ЦЭБ), созданным в составе экологической службы администрации Нижегородской области в 1995 г. с целью эксплуатации автоматизированной системы экологического мониторинга, внедрения ГИС-технологий в деятельность природоохранных организаций области, информационной поддержки решения задачи обеспечения экологической безопасности региона.
В настоящее время процесс первоначального накопления данных завершен, большая часть тематических слоев сформирована и ГИС функционирует в режиме «горячая линия» в сети администрации Нижегородской области. Однако работа по поддержанию 370
актуальности информации и формированию новых тематических слоев постоянно продолжается. Оцифрованные материалы по мере готовности по согласованной форме представляются на электронных носителях в центр экологической безопасности для систематизации и в обработанном виде представляются подразделениям экологической службы и другим организациям. Существующие и создаваемые слои отражают практически все аспекты, имеющие отношение к экологической безопасности. Для иллюстрации можно выделить следующие крупные блоки слоев (в настоящее время в составе ГИС создано более 350 тематических слоев).
1. Топооснова, т.е. слои, содержащие сведения о географическом положении территории, природных условиях, рельефе и т.д. Основу для данного блока составляет топографическая карта масштаба 1: 1 000000, подготовленная Верхне-Волжским АГП, и более крупномасштабные карты наиболее крупных городов области. Для решения целого ряда задач необходимы карты более крупных масштабов, в связи с этим в настоящий момент ведется активная работа по переходу к масштабам 1: 500 000 и I: 200 000 на всю территорию области.
2. Данные об источниках выбросов и сбросов, размещении отходов. К данной группе относятся слои, созданные на базе информации о природопользователях и формах статистической отчетности. ГИС-тсхнологии позволяют проводить анализ загрязнения, вызванного этими многочисленными источниками, в привязке к конкретным природным объектам или к их частям (например, к отдельным участкам рек).
3. Сведения об источниках повышенной опасности и объектах экологического риска. Состав слоев этого блока зависит от специфики конкретного региона и объема доступной информации по конкретным объектам.
4. Информация об инженерной и транспортной инфраструктуре. Слои, входящие в эту группу, часто интересны не сами по себе, а в сочетании с информацией о карстовых явлениях, паводке и других природных явлениях, которые могут привести к аварийной ситуации,
5. Сведения о распространении, динамике и уровнях загрязнения природных сред. Данный блок содержит наиболее вариабельные слои, содержащие данные экологического мониторинга с периодом обновления одни сутки. На основании этих данных происходит основная аналитическая работа. Именно эти слои, будучи наложенными на другие слои и данные многолетнего фонового мониторинга, позволяют наиболее точно и оперативно оценить экологическую обстановку в области.
6. Радиационная обстановка. Информация этих слоев позволяет оценить радиационную обстановку как в целом, так и по отдельным районам.
7. Санитарно-эпидемиологическая обстановка и распределение заболеваемости на территории области. Пространственно-временной анализ этих данных, наложенный на информацию оперативного мониторинга, позволяет в ряде случаев не только увидеть взаимосвязи, но и спрогнозировать возможное развитие событий.
8. Животный и растительный мир, биоразнообразие, особо охраняемые природные территории. Совокупность этих слоев создана совместно с экологическим центром «Дронт».
9. Недра и геологическая изученность. Слои созданы по заказу территориальных органов Министерства природных ресурсов.
Необходимо отметить, что ГИС экологической службы вплотную подошла к тому моменту, когда количество информации перейдет в качество, что, п свою очередь, может привести к проявлению скрытых, закодированных в форме пространственных отношений взаимосвязей.
Кроме кратко охарактеризованных проектов, в Интернете существует множество сайтов, в той или иной степени связанных с применением ГИС для экологических проблем. Примеры применения ГИС-технологий в экологии можно найти в многочисленных ссылках сайта www.csri.com . в том числе в трудах ежегодных конференций ESRI, Inc.
Курс предусматривает расширенное изучение инструментов программного продукта ArcGIS с адаптацией для нужд предприятий природопользования.
Обращаем внимание, что ввиду специфики обучения по данному курсу сборные группы не обучаются. Слушатели курса должны быть работниками одной организации или одной отрасли .
Обучение направлено на освоение геоинформационных технологий; получение навыков по разработке и поддержанию корпоративной ГИС; решение задач, связанных с контролем, анализом состояния объектов окружающей среды; оценку деятельности пользователей природных ресурсов; выявление потенциальных нарушителей; расчет интегральных показателей состояния сложных природных объектов и прогнозирование экологической ситуации. Практические занятия представлены в виде ряда конкретных задач, решение которых требует знания основных методов пространственного анализа.
Уникальность курса состоит в том, что он реализован с применением Российских картографических основ и построен на базе реальных данных и методик, разработанных на основе действующих нормативных документов и стандартов.
Форма обучения - очная, с отрывом от производства.
Преподаватели курса
Учебный план
№ п/п | Наименование разделов | Всего часов | В том числе | |||
---|---|---|---|---|---|---|
Лекции | Практические и лабораторные занятия | Форма контроля | ||||
Знакомство с основными понятиями пространственного анализа в ГИС |
Тематическаякарта |
|||||
Создание проекта в ГИС. Основные типы данных |
Тематическаякарта |
|||||
Пространственная привязка местоположений объектов, картографические проекции |
Тематическаякарта |
|||||
Отображение данных. Символы слоев, отображение качественных и количественных значений |
Тематическаякарта |
|||||
Создание надписей и аннотаций |
Тематическаякарта |
|||||
Связь пространственной и атрибутивной информации. Запросы и выборки |
Тематическаякарта |
|||||
Редактирование пространственных и атрибутивных данных |
Тематическаякарта |
|||||
Базовые картографические концепции, вопросы картографического дизайна. Создание компоновки |
Тематическаякарта |
|||||
Функции пространственного анализа и геообработка |
Тематическаякарта |
|||||
Концепция построения системы экологической оценки в среде ГИС. Цели, составляющие, этапы создания ГИС проекта |
Тематическаякарта |
|||||
Разработка и заполнение экологической базы геоданных |
Тематическаякарта |
|||||
Ведение мониторинга на ГИС основе. Задачи, инструменты, запросы |
Тематическаякарта |
|||||
Исследование динамики загрязнения водных объектов в контрольных створах. Построение нормированных характеристик |
Тематическаякарта |
|||||
Оценка деятельности водопользователей и нормирование экологической нагрузки |
Тематическаякарта |
|||||
Учет и анализ состояния гидротехнических сооружений |
Тематическаякарта |
|||||
Управление деятельностью водопользователей на основе контроля лицензионных соглашений |
Тематическаякарта |
|||||
Модели прогнозирования качества воздушной и водной среды. |
Тематическаякарта |
|||||
Пространственное моделирование загрязнения водоемов с использованием модуля Geostatistical Analyst |
Тематическаякарта |
|||||
Комплексная оценка состояния сложных природных объектов на основе разнородных данных |
Тематическаякарта |
|||||
Построение распределенной системы оценки и управления природными объектами на базе ГИС, документирование результатов анализа |
Тематическаякарта |
|||||
Курсовое проектирование |
Тематическаякарта |
|||||
Итого: |
Контактная информация
пн. - пт. с 10:00 до 17:00 | |
197376, Россия, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, дом 5, корп. D, пом. D402 | |
+7 812 346-28-18, +7 812 346-45-21 | |
+7 812 346-45-21 | |
[email protected] | |