Характеристика геоинформационных технологий экологического назначения. Применение гис в экологии

Введение

Информационные системы

Программное обеспечение ГИС

Геоинформационные системы в экологии

Проект МЭМОС

Список литературы

Введение

Информационные технологии служат прежде всего цели экономии ресурсов путем поиска и последующего использования информации для повышения эффективности человеческой деятельности. В настоящее время исследования по охране окружающей среды ведутся во всех областях науки и техники различными организациями и на различных уровнях, в том числе и на государственном. Однако информация по этим исследованиям характеризуется высокой рассеянностью.

Большие объемы экологической информации, данные многолетних наблюдений, новейшие разработки разбросаны по различным информационным базам или даже находятся на бумажных носителях в архивах, что не только затрудняет их поиск, использование, но и приводит к сомнению в достоверности данных и эффективном использовании средств, выделяемых на экологию из бюджета, иностранных фондов или коммерческими структурами.

Вторым моментом, обуславливающим необходимость информатизации, является проведение постоянного мониторинга за фактическим состоянием окружающей среды, уплатой налогов, проведением экологических мероприятий. Необходимость контроля возникла с принятием платы за загрязнение еще с 1992г, когда обнаружились такие проблемы, как переиндексация платежей в связи с инфляцией, неуплата за загрязнение воз уха, «уход» от экологических платежей, обусловленные отсутствием необходимой технической базы для своевременного контроля за исполнением норм закона.

Благодаря автоматизированным мониторинговым системам контроль за природоохранной деятельностью становится более эффективным, поскольку постоянное наблюдение позволяет не только следить за правильностью выполнения закона, но и вносить в него поправки соответственно фактическим условиям экологической и социально-экономической обстановки.

На рубеже двух тысячелетий проблема взаимоотношения человеческого общества с окружающей средой приобрела острый характер. За последние десятилетия возрос риск возникновения крупных экологических катастроф, вызываемых человеком и возникающих вследствие защитной реакции природы.

Природные и антропогенные экологические катастрофы имеют исторический аспект. Различные природные катастрофы, такие как наводнения и лесные пожары, существовали на протяжении всей истории нашей планеты. Однако с развитием современной цивилизации возникли катастрофы нового типа, включающие опустынивание, деградацию земельных ресурсов, пылевые бури, загрязнение Мирового океана и др. Начало XXI столетия остро ставит задачи оценки риска экологических катастроф, принятия мер по их предотвращению. Другими словами, актуальной стала задача управления экологическими катастрофами. А это возможно при наличии необходимого информационного обеспечения о прошлом, текущем и будущем состоянии объектов окружающей среды, включая природные, природно-техногенные и антропогенные системы.

Информационные системы

Современные информационные технологии предназначаются для поиска, обработки и распространения больших массивов данных, создания и эксплуатации различных информационных систем, содержащих базы и банки данных и знаний.

В широком смысле слова, информационная система - это система, некоторые элементы которой являются информационными объектами (тексты, графики, формулы, сайты, программы и пр.), а связи носят информационный характер.

Информационная система, понимаемая в более узком смысле, - это система, предназначенная для хранения информации в специальным образом организованной форме, снабженная средствами для выполнения процедур ввода, размещения, обработки, поиска и выдачи информации по запросам пользователей.

Важнейшими подсистемами автоматизированных информационных систем являются базы и банки данных, а также относящиеся к классу систем искусственного интеллекта экспертные системы. Отдельно следует рассмотреть геоинформационные системы, как одни из наиболее развитых глобальных АИС в экологии на данный момент.

Понятие о Геоинформационной системе (ГИС)

Геоинформационная система (ГИС) - это программно-аппаратный комплекс, решающий совокупность задач по хранению, отображению, обновлению и анализу пространственной и атрибутивной информации по объектам территории. Одна из основных функций ГИС - создание и использование компьютерных (электронных) карт, атласов и других картографических произведений. Берлянт А.М. Картография: Учебник для вузов. - М.: Аспект Пресс, 2001. - 336 с. Основой любой информационной системы служат данные. Данные в ГИС подразделяются на пространственные, семантические и метаданные. Пространственные данные - данные, описывающие местоположение объекта в пространстве. Например, координаты угловых точек здания, представленные в местной или любой другой системе координат. Семантические (атрибутивные) данные - данные о свойствах объекта. Например, адрес, кадастровый номер, этажность и прочие характеристики здания. Метаданные - данные о данных. Например, информация о том, кем, когда и с использованием какого исходного материала, в систему было внесено здание. Первые ГИС были созданы в Канаде, США и Швеции для изучения природных ресурсов в середине 1960-х годах, а сейчас в промышленно развитых странах существует тысячи ГИС, используемых в экономике, политике, экологии, управлении и охране природных ресурсов, кадастре, науке, образовании и т.д. Они интегрируют картографическую информацию, данные дистанционного зондирования и экологического мониторинга, статистику и переписи, гидрометеорологические наблюдения, экспедиционные материалы, результаты бурения и др. Структурно, муниципальная ГИС представляет собой централизованную базу данных пространственных объектов и инструмент, который предоставляет возможности хранения, анализа и обработки любой информации, связанной с тем или иным объектом ГИС, что сильно упрощает процесс использования информации об объектах городской территории заинтересованными службами и лицами. Также стоит отметить, что ГИС может быть (и должна) интегрирована с любой другой муниципальной информационной системой, использующей данные об объектах городской территории. Например, система автоматизации деятельности комитета по управлению муниципальным имуществом должна использовать в своей работе адресный план и карту земельных участков муниципальной ГИС. Также в ГИС могут храниться зоны, содержащие коэффициенты арендных ставок, которые могут использоваться при расчете арендной платы. В том случае, когда в городе используется централизованная муниципальная ГИС, все сотрудники ОМСУ и городских служб имеют возможность получать регламентированный доступ к актуальным данным ГИС, при этом затрачивая гораздо меньшее время на их поиск, анализ и обобщение. ГИС предназначены для решения научных и прикладных задач инвентаризации, анализа, оценки, прогноза и управления окружающей средой и территориальной организацией общества. Основу ГИС составляют автоматизированные картографические системы, а главными источниками информации служат различные геоизображения. Геоинформатика - наука, технология и производственная деятельность:

По научному обоснованию, проектированию, созданию, эксплуатации и использованию географических информационных систем;

По разработке геоинформационных технологий;

По прикладным аспектам или приложениям ГИС для практических или геонаучных целей. Дьяченко Н.В. Использование ГИС-технологий

Программное обеспечение ГИС

Программные обеспечения ГИС делятся на пять основных используемых классов. Первый наиболее функционально полный класс программного обеспечения - это инструментальные ГИС. Они могут быть предназначены для самых разнообразных задач: для организации ввода информации (как картографической, так и атрибутивной), ее хранения (в том числе и распределенного, поддерживающего сетевую работу), отработки сложных информационных запросов, решения пространственных аналитических задач (коридоры, окружения, сетевые задачи и др.), построения производных карт и схем (оверлейные операции) и, наконец, для подготовки к выводу на твердый носитель оригинал-макетов картографической и схематической продукции. Как правило, инструментальные ГИС поддерживают работу, как с растровыми, так и с векторными изображениями, имеют встроенную базу данных для цифровой основы и атрибутивной информации или поддерживают для хранения атрибутивной информации одну из распространенных баз данных: Paradox, Access, Oracle и др. Наиболее развитые продукты имеют системы run time, позволяющие оптимизировать необходимые функциональные возможности под конкретную задачу и удешевить тиражирование созданных с их помощью справочных систем. Второй важный класс - так называемые ГИС-вьюверы, то есть программные продукты, обеспечивающие пользование созданными с помощью инструментальных ГИС базами данных. Как правило, ГИС-вьюверы предоставляют пользователю (если предоставляют вообще) крайне ограниченные возможности пополнения баз данных. Во все ГИС-вьюверы включается инструментарий запросов к базам данных, которые выполняют операции позицирования и зуммирования картографических изображений. Естественно, вьюверы всегда входят составной частью в средние и крупные проекты, позволяя сэкономить затраты на создание части рабочих мест, не наделенных правами пополнения базы данных. Третий класс - это справочные картографические системы (СКС). Они сочетают в себе хранение и большинство возможных видов визуализации пространственно распределенной информации, содержат механизмы запросов по картографической и атрибутивной информации, но при этом существенно ограничивают возможности пользователя по дополнению встроенных баз данных. Их обновление (актуализация) носит цикличный характер и производится обычно поставщиком СКС за дополнительную плату. Четвертый класс программного обеспечения - средства пространственного моделирования. Их задача - моделировать пространственное распределение различных параметров (рельефа, зон экологического загрязнения, участков затопления при строительстве плотин и другие). Они опираются на средства работы с матричными данными и снабжаются развитыми средствами визуализации. Типичным является наличие инструментария, позволяющего проводить самые разнообразные вычисления над пространственными данными (сложение, умножение, вычисление производных и другие операции).

Пятый класс, на котором стоит заострить внимание - это специальные средства обработки и дешифрирования данных зондирований земли. Сюда относятся пакеты обработки изображений, снабженные в зависимости от цены различным математическим аппаратом, позволяющим проводить операции со сканированными или записанными в цифровой форме снимками поверхности земли. Это довольно широкий набор операций, начиная со всех видов коррекций (оптической, геометрической) через географическую привязку снимков вплоть до обработки стереопар с выдачей результата в виде актуализированного топоплана. Кроме упомянутых классов существует еще разнообразные программные средства, манипулирующие с пространственной информацией. Это такие продукты, как средства обработки полевых геодезических наблюдений (пакеты, предусматривающие взаимодействие с GPS-приемниками, электронными тахометрами, нивелирами и другим автоматизированным геодезическим оборудованием), средства навигации и ПО для решения еще более узких предметных задач (изыскания, экология, гидрогеология и пр). Естественно, возможны и другие принципы классификации программного обеспечения: по сферам применения, по стоимости, поддержке определенным типом (или типами) операционных систем, по вычислительным платформам (ПК, рабочие Unix-станции) и т д. Стремительный рост количества потребителей ГИС-технологий за счет децентрализации расходования бюджетных средств и приобщения к ним все новых и новых предметных сфер их использования. Если до середины 90-х годов основной рост рынка был связан лишь с крупными проектами федерального уровня, то сегодня главный потенциал перемещается в сторону массового рынка. Это мировая тенденция: по данным исследовательской фирмы Daratech (США), мировой рынок ГИС для персональных компьютеров в настоящий момент в 121,5 раза опережает общий рост рынка ГИС-решений. Массовость рынка и возникающая конкуренция приводят к тому, что потребителю за ту же или меньшую цену предлагается все более качественный товар. Так, для ведущих поставщиков инструментальных ГИС стала уже правилом поставка вместе с системой и цифровой картографической основы того региона, где распространяется товар. Да и сама приведенная классификация ПО стала реальностью. Еще буквально два-три года назад функции автоматизированной векторизации и справочных систем можно было реализовать только с помощью развитых и дорогостоящих инструментальных ГИС (Arc/Info, Intergraph). Прогрессирующая тенденция к модульности систем, позволяющая оптимизировать затраты для конкретного проекта. Сегодня даже пакеты, обслуживающие какой-либо технологический этап, например векторизаторы, можно приобрести как в полном, так и в сокращенном наборе модулей, библиотек символов и т.п. Выход целого ряда отечественных разработок на "рыночный" уровень. Такие продукты, как GeoDraw / GeoGraph, Sinteks / Tri, GeoCAD, EasyTrace, обладают не только значительным количеством пользователей, но и имеют уже все атрибуты рыночного оформления и поддержки. В российской, геоинформатике есть некая критичная цифра работающих инсталляций - пятьдесят. Как только вы ее достигли, дальше есть только два пути: или резко вверх, наращивая число своих пользователей, либо - уход с рынка из-за невозможности обеспечить необходимую поддержку и развитие своему продукту. Интересно, что все упомянутые программы обслуживают нижний ценовой уровень; другими словами, в них найдено оптимальное соотношение между ценой и напором функциональных возможностей именно для российского рынка.

Опыт комплексных географических исследований и системного тематического картографирования позволил геоинформационному картографированию занять ведущие позиции в развитии картографической науки и производства.

Сопоставление разновременных и разнотематических карт позволяет перейти к прогнозам на основе выявленных взаимосвязей и тенденций развития явлений и процессов. Прогноз по картам позволяет прогнозировать и современные, но еще не известные явления, например, прогнозы погоды или неизвестные полезные ископаемые.

В основе прогноза лежат картографические экстраполяции, трактуемые как распространение закономерностей, полученных в ходе картографического анализа какого-либо явления, на неизученную часть этого явления, на другую территорию или на будущее время. Картографические экстраполяции, как и любые другие (математические, логические), не универсальны. Их достоинство в том, что они хорошо приспособлены для прогнозирования и пространственных, и временных закономерностей. В практике прогнозирования по картам широко применяют также известные в географии методы аналогий, индикации, экспертные оценки, расчет статистических регрессий и др.

Литература:

1. Трифонова Т.А., Мищенко Н.В., Краснощеков А.Н. Геоинформационные системы и дистанционное зондирование в экологических исследованиях: Учебное пособие для вузов. - М., 2005. – 352 с.

2. Стурман В.И. Экологическое картографирование: Учебное пособие. – Москва, 2003.

Тема 14. Содержание и методы составления экологических карт. План:

1. Картографирование атмосферных проблем.

2. Картографирование загрязнения вод суши.

3. Качественные и количественные оценки экологических ситуаций.

1. Картографирование атмосферных проблем

Атмосфера как наиболее динамичная среда характеризуется сложной пространственно-временной динамикой уровней содержания примесей. В каждый данный момент времени уровень загрязненности атмосферы над некоторой территорией или в той или иной точке определяется балансом по отдельным поллютантам и их совокупности. В приходной части баланса находятся:

♦ поступление загрязняющих веществ от совокупности техногенных и естественных источников в пределах рассматриваемой территории;

♦ поступление загрязняющих веществ от источников за пределами рассматриваемой территории, в том числе отдаленных (дальний перенос);

♦ образование загрязняющих веществ в результате вторичных химических процессов, протекающих в самой атмосфере.

В расходной части баланса находятся:

♦ вынос загрязняющих веществ за пределы рассматриваемой территории;

♦ осаждение загрязняющих веществ на земную поверхность;

♦ разрушение загрязняющих веществ в результате процессов самоочищения.

Факторы интенсивности осаждения и самоочищения для разных веществ в значительной степени совпадают. Поэтому концентрации разных веществ обычно меняются относительно согласованно, подчиняясь одним и тем же временным и пространственным закономерностям.

Поступление загрязняющих веществ от естественных и техногенных пылящих источников усиливается при усилении ветра (в сочетании с наличием незакрепленных поверхностей), при вулканических процессах.

Таким образом, картографирование загрязнения атмосферы складывается из:

♦ картографирования потенциала загрязнения атмосферы;

♦ картографирования источников загрязнения;

♦ картографирования уровней загрязнения.

В управлении землепользованием и в ведении городского хозяйства одним из основных видов продукции является информация (в том чис­ле картографическая), получаемая на основе имеющихся данных. При решении экологических задач с помощью ГИС акцент на продукцию несколько иной. В ходе экологического наблюдения (мониторинга) осу­ществляют сбор и совместную обработку данных, относящихся к раз­личным природным средам, моделирование и анализ экологических про­цессов и тенденций их развития, а также использование данных при при­нятии решений по управлению качеством окружающей среды.

Результат экологического исследования, как правило, представляет оперативные данные трех типов:констатирующие (измеренные пара­метры состояния экологической обстановки в момент обследования), оценочные (результаты обработки измерений и получение на этой ос­нове оценок экологической ситуации),прогнозные (прогнозирующие развитие обстановки на заданный период времени).

Из этого следует, что в экологических ГИС применяются в первую очередь динамические модели. В силу этого большую роль в них игра­ют технологии создания электронных карт.

Совокупность всех перечисленных трех типов данных составляет основу экологического мониторинга.

Особенностью представления данных в системах экологического мониторинга является то, что на экологических картах в большей степе­ни представлены ареальные геообъекты, чем линейные.

Относительно цифрового моделирования принципиальным следует считать использование цифровых моделей типа цифровая модель явле­ния, поле и т.п.

На уровне сбора наряду с топографическими характеристиками дополнительно определяются параметры, характеризующие экологичес­кую обстановку. Это увеличивает объем атрибутивных данных в эколо­гических ГИС по сравнению с типовыми ГИС. Соответственно возрас­тает роль семантического моделирования.

На уровне моделирования используют специальные методы расчета параметров, характеризующих экологическое состояние среды и определяющих форму представления цифровых карт.

На уровне представления при экологических исследованиях осуществляют выдачу не одной, а, как правило, серии карт, особенно при прогнозировании явлений. В некоторых случаях карты выдаются с применением методов динамической визуализации, что довольно часто можно наблюдать при метеопрогнозах, показываемых по телевидению.

В качестве примера рассмотрим систему экологического монито­ринга, создаваемую для Москвы". Объектами мониторинга Москвы яв­ляются: атмосферный воздух, поверхностные и подземные воды, почва, зеленые насаждения, радиационная обстановка, среда обитания и со­стояние здоровья населения.

Большое число организаций (федеральных, муниципальных, ведом­ственных) в Москве занимаются независимо друг от друга сбором дан­ных о состоянии параметров объектов окружающей среды. Производится контроль состава атмосферного воздуха, количества выбросов промыш­ленных предприятий и автотранспорта, качества поверхностных и под­земных вод и т. д. Эти работы выполняют различные организации - от ГАИ до санэпидемстанций. Недостатки существующего порядка сбора экологических данных - разрозненность и бессистемность, ра­зобщенность городских природоохранных организаций и отсутствие ком­плексных оценок и прогнозов развития экологической обстановки.

Главная задача городского экомониторинга - получение комплекс­ной оценки экологической ситуации в городе на базе интеграции всех видов данных, поступающих от различных организаций. Интеграцион­ной основой множества данных, естественно, является карта. Следова­тельно, решение задач экомониторинга города неизбежно приводит к созданию и применению ГИС.

(‘Пупырев Е.И., Бутаков П.Д., Дронина Н.П. Роль и место геоинформаци­онных технологий в системе экомониторинга Москвы // ГИС - Обозрение. -Лето, 1995.-С. 34-36.)

Для этого объединяют существующие сети различных измерений и специализированные мониторинги природоохранных служб. Создание системы основано на внедрении современных средств контроля на базе единого информационного пространства.

Структура системы экомониторинга Москвы включает два уровня.

Нижний уровень системы включает:

Федеральные, городские и ведомственные подсистемы специали­зированных мониторингов (мониторинг атмосферы, поверхностных вод, здоровья населения, радиодогический мониторинг, мониторинг санитар­ной очистки территории города, мониторинг недр и подземных вод, почв, зеленых насаждений, акустический мониторинг, градостроительный мо­ниторинг);

Территориальные центры сбора и обработки данных, созданные на базе территориальных отделений Москомприроды.

Эти подсистемы обеспечивают сбор полной и по возможности каче­ственной информации о состоянии окружающей среды на всей террито­рии города. В локальных центрах проводятся также анализ информации и ее отбор для передачи на верхний уровень.

Территориальные центры обеспечивают сбор информации по источ­никам антропогенного загрязнения на территории административных округов и используют данные территориальных подразделений феде­ральных служб и городских хозяйственных организаций.

Верхний уровень системы экомониторинга составляет информа­ционно-аналитический центр. В задачи верхнего уровня системы входят:

Оперативная оценка экологической ситуации в городе;

Расчет интегральных оценок экологической ситуации;

Прогноз развития, экологической обстановки;

Подготовка проектов управляющих воздействий и оценка последствий принимаемых решений.

Очевидно, что информационная система экомониторинга Москвы имеет ярко выраженный распределенный характер. Поэтому она стро­ится на основе распределенной информационной сети.

Для эффективного использования накапливаемых данных необхо­димы комплексная обработка и совершенные методы моделирования и представления данных.

Геоинформационные системы являются оптимальным средством для представления и анализа пространственно - распределенных экологичес­ких данных.

Подсистема специализированных мониторингов охватывает ряд организаций (Москомзем, НПО "Радон", НИиПИ Генплана), имеющих инструментальные пакеты ГИС. Другие организации (Мослесопарк, МГЦСЭН) подобного программного обеспечения не имеют. Интегра­ция данных в единую систему происходит двумя путями:

На основе конвертирования форматов данных в единый для всей системы формат;

На основе выбора единого программного обеспечения ГИС. Программный комплекс, разрабатываемый АО "Прима", обеспечи­вая решение задач территориальных отделений Москомприроды иди ко­митетов по охране природы крупных и средних городов, выполняет сле­дующие функции:

Формирование и ведение баз экологической информации по терри­ториям, предприятиям, средам (воздух, вода, почва);

Ведение базы данных нормативно-законодательных документов в области экологии;

Ведение базы данных нормативов содержания загрязняющих ве­ществ в воздухе, воде, почве и продуктах питания;

Ведение базы данных приборов экологического контроля.

Кроме ведения баз данных предусмотрены работы по моделирова­нию и получению тематических карт. В частности, в системе произво­дятся следующие виды расчетов: расчет платежей за использование при­родных ресурсов и расчет полей концентрации загрязняющих веществ в атмосфере, воде и почве.

Система экологического мониторинга предусматривает обмен данными между его участниками. Поэтому одним из главных требо­ваний, предъявляемых к программному обеспечению всех подсистем, является возможность конвертирования файлов данных в стандарт­ные форматы (dbf для файлов баз данных и DXF для графических файлов).

При создании системы экомониторинга Москвы использовалась еди­ная система координат для всех подразделений экомониторинга. Все геоинформационные (включая экологические) данные должны иметь единую координатную привязку, и тогда при обмене информацией в циф­ровом виде не возникает никаких проблем.

Масштабы карт, на которых работают разные подсистемы экомо­ниторинга, могут быть различными: от 1: 2 000 для территориаль­ных отделений Москомприроды до 1: 38 000 для верхнего уровня системы.

В организации экомониторинга Москвы геоинформационные тех­нологии составляют основу, поскольку они обеспечивают решение за­дач экологического мониторинга Москвы.

Введение

1.1 Деградация среды обитания

1.2 Загрязнение

1.3 Охраняемые территории

1.4 Неохраняемые территории

1.6Мониторинг

2.2 Функциональные возможности системы

2.3 Методы получения комплексной оценки

Заключение

Литература

геоинформационный карта нефтегазовый мониторинг

Введение

Во всем мире проблемам охраны окружающей среды сейчас уделяется повышенное внимание. И это не удивительно. Бурное развитие хозяйственной деятельности людей создало все предпосылки реальной возможности экологического кризиса. В этой связи большое значение приобретает направление, связанное с количественной оценкой антропогенных воздействий на окружающую среду, созданием систем комплексной оценки состояния экологической обстановки, а также моделированием и прогнозированием развития ситуации. Создание подобных систем в настоящее время невозможно без использования современных компьютерных инструментов. Одним из важных инструментов являются ГИС-технологии.

Оценка состояния сложных природных объектов в окружающей среде подразумевает всесторонний анализ воздействия различных факторов. Получение комплексных оценок затруднено многообразием характеристик объекта, разнотипностью доступной информации, что повышает актуальность задачи обеспечения метрологической сопоставимости разнородных данных.

1. Роль и место ГИС в природоохранных мероприятиях

1.1 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 .

1.2 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 .

1.3Охраняемые 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 .

1.4Неохраняемые 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 владельцем 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 с требованиями дикой природы. Например, в ряде случаев бывает необходимым зарезервировать коридоры миграции диких животных через освоенные территории между заповедниками или национальными парками. Постоянный сбор и обновление данных о границах землепользования может оказать большую помощь при разработке природоохранных, в том 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 .

1.5Восстановление 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 .

1.6Мониторинг

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 .

2. Комплексная оценка окружающей природной среды

2.1 Базовые основы системы комплексной оценки окружающей природной среды

Геоинформационная система комплексной оценки, моделирования и прогнозирования состояния окружающей природной среды (ОПС)а базируется на топографической основе с единой системой координат, на базах данных, имеющих единую организацию и структуру и являющихся хранилищем всей информации об анализируемых объектах, на наборе программных модулей для получения оценок по ранее разработанным алгоритмам . Система позволяет:

· осуществлять сбор, классификацию и упорядочивание экологической информации;

· исследовать динамику изменения состояния экосистемы в пространстве и во времени;

· по результатам анализа строить тематические карты;

· моделировать природные процессы в различных средах;

· оценивать ситуацию и прогнозировать развитие экологической обстановки.

Часть работ велась совместно с Невско-Ладожским бассейновым водным управлением, зона действия которого распространяется на Северо-Западный регион и включает Санкт-Петербург и Ленинградскую область, Новгородскую и Псковскую области, республику Карелия и Калининградскую область. Соответственно, вся информация собрана и систематизирована для этого региона. Топографическая основа системы комплексной оценки служит для визуализации результатов исследований и пространственного анализа (рис. 1).

Рис. 1. Топооснова системы комплексной оценки.

Основной информационной единицей топоосновы являются листы цифровых карт масштаба 1:200 000. Топографическая основа представляет собой набор структурированных в виде отдельных слоев данных о местности: реки, озера, дороги, леса, посты контроля и т.д.

База данных системы комплексной оценки включает:

· базу результатов контрольных измерений;

· базу характеристик природных объектов;

· базу характеристик источников загрязнения;

· нормативную базу.

База контрольных измерений является основой системы мониторинга состояния окружающей среды, позволяющей оперативно оценивать экологическую ситуацию в заданном районе и представлять ее на карте .

Система позволяет исследовать динамику загрязнения в пространстве и во времени, в том числе:

· проводить анализ в заданной точке для выбранных показателей по датам наблюдений (временной анализ);

· получать нормированные оценки;

· формировать усредненные оценки по заданному показателю по перечню контрольных постов (пространственный анализ) и строить тематические карты (рис. 2);

· рассчитывать интегральные оценки.

Рис. 2. Пространственный анализ состояния водного объекта.

2.2Функциональные возможности системы

Единая база природных объектов и источников загрязнения обеспечивает возможность моделирования распространения вредных веществ в воздушной и водной средах с целью исследования сложившейся обстановки и выработки рекомендаций по ликвидации последствий кризисных ситуаций и по рациональному природопользованию. Модели распространения загрязняющих веществ в воде и в воздухе учитывают технологические характеристики предприятий (экологический паспорт), географическое местоположение, метеорологические условия .

Реализована модель распространения примеси в воздухе, основанная на методике ГГО, называемая ОНД-86. Результатом работы модели является поле концентраций, представленное в виде слоя ГИС (рис. 3).

Рис. 3. Моделирование распространения примеси в воздухе.

Для водотоков реализована модель конвективно-диффузионного переноса загрязняющих веществ. Моделирование распространения загрязняющих веществ осуществляется от группы водовыпусков в пределах участка или целого водного бассейна с учетом их специфики (рис. 4). Рассчитывается предельно допустимый сброс сточных вод в водные объекты. Результатом работы модели также является поле концентраций, импортируемое в ГИС.

Рис. 4. Моделирование распространения примеси в водотоке.

Комплексная оценка состояния сложных природных объектов строится на основе результатов контроля характеристик в различных средах (измерений уровня радиации, концентрации примеси вредных веществ, площади загрязнения и др.), результатов обследований и экспертизы, а также результатов моделирования различных ситуаций техногенного или природного происхождения. Это повышает актуальность задачи объединения количественных и качественных характеристик, соблюдения требований единства измерений.

2.3Методы получения комплексной оценки

В созданной системе решена задача объединения разнородных данных для получения комплексных оценок состояния объектов окружающей природной среды на единой метрологической основе . Разработаны методы построения нормированных шкал с целью объединения различных оценок, учитывающие характеристики достоверности и степени участия каждого фактора. За нормированную шкалу принята шкала с равными отрезками и условными отношениями: 0-1 – значительно ниже нормы (ЗНН); 1-2 – ниже нормы (НН); 2-3 – норма (Н); 3-4 – выше нормы (ВН); 4-5 – значительно выше нормы (ЗВН).

Для оценки качеств результатов контрольных измерений используется нормирование относительно предельно допустимой концентрации (ПДК). Плоскость соответствия нормированных значений контрольных измерений и качественных оценок изображена на рис. 5.

Рис. 5. Плоскость соответствия нормированных значений и качественных оценок.

Каждый результат измерений представляет собой случайную величину, истинное значение которой находится в интервале x*=x’± ks . В этом случае принятие того или иного значения контролируемой величины на нормированной шкале качественных отношений может быть определено как вероятность нахождения значения измеряемой величины в соответствующем интервале значений концентраций. Вероятность принятия того или иного значения качества может быть определена как:

Выбор граничных значений (C i) зависит от класса опасности вещества и региона обследования, что объясняется конкретной экологической обстановкой и существующей нормативной базой.

В случае, когда для оценки отдельных объектов ОПС используются сложные характеристики, значение некоторого обобщенного показателя определяет качественное значение контролируемой характеристики. Сложность состоит в том, что качественные шкалы для разных сред и методик различны. В этом случае задача нормирования сложных оценок сводится к приведению таких шкал к нормированной .

В программной системе реализованы алгоритмы получения качественных оценок по результатам контрольных измерений, учитывающие существующие стандартные методики для воздушной и водной сред (рис. 6). Осуществлено приведение различных качественных шкал к нормированной.

Рис. 6. Оценка состояния водной среды.

В силу малочисленности данных химического анализа часто, наряду с результатами контрольных измерений, используются результаты обследований, опросов и экспертных оценок. В программной системе создан модуль, реализующий получение и обработку экспертных оценок.

При обработке результатов обследований значение каждой величины, также как результаты контрольных измерений, определяет степень загрязненности объекта и может быть связано с нормированными характеристиками объекта. Результаты обработки экспертных оценок суммируются в нормированной шкале. При этом оценка, соответствующая каждому признаку, должна быть приведена к нормированной характеристике å р k =1. Результаты имеют географическую привязку и могут быть нанесены на карту (рис. 7).

Рис. 7. Экспертные оценки.

Комплексная оценка состояния объектов ОПС получается в результате объединения данных разного типа (результатов контрольных измерений в разных средах, результатов моделирования, обследования и экспертных оценок). При этом задача объединения превращается в задачу суммирования характеристик различных оценок в нормированной качественной шкале.

Следует учитывать, что если комплексная оценка определяется на основе объединения большого числа оценок, имеющих различное распределение в нормированной шкале, то в результате объединения таких оценок велика вероятность получить равномерное распределение, при котором невозможно вынести суждение о качественной оценке состояния объекта.

В связи с этим предлагается использовать следующий метод объединения однотипных оценок. Для каждой группы оценок, собранных, например, по средам (воздух, вода, почва) или по виду их получения (контрольные измерения, экспертные оценки, результаты моделирования) следует производить сортировку в соответствии с максимальным значением каждого качества и выбирать наиболее критичные оценки. При этом, в зависимости от поставленной задачи, алгоритм выбора критических оценок также может быть различным. Например, для оценки аварийной ситуации следует выбирать показатели, у которых максимум оценки принимает значение ЗВН (значительно выше нормы), для обычных условий следует выбирать показатели, имеющие максимум в диапазоне от Н (норма) до ЗВН.

Сложные оценки состояния объектов окружающей природной среды могут быть получены путем объединения разнотипных данных, например, результатов контрольных измерений и визуального обследования прибрежной территории. При формировании таких оценок необходимо учитывать важность каждой используемой характеристики.

Такие оценки представляют собой комплексную характеристику, полученную путем суммирования простых оценок с учетом их свойств в пределах групп воздействия, то есть:

где: * - оператор суммирования, x i * - простая оценка, входящая в множество важных характеристик I s , p дi - оценка степени доверия и g уi - оценка степени участия x i * .

Степень доверия характеризует надежность используемой оценки и зависит от способа ее получения. Степень участия определяет вес используемой характеристики при формировании сложной оценки качества объекта экосистемы. Использование коэффициента участия исключает возможность получения равновероятной характеристики результата в случае суммирования большого числа характеристик и позволяет эксперту получать различные оценки в зависимости от поставленной задачи.

Комплексная оценка состояния объектов ОПС представляет собой характеристику, полученную путем суммирования простых и сложных оценок с учетом их свойств

где: * - оператор суммирования, x i * - простая оценка, входящая в множество важных характеристик I 0 , S i * - сложная оценка, полученная на основании использования стандартных методик объединения однотипных данных или согласно формуле (2) для данных разного типа.

Информационная среда получения комплексной оценки обеспечивает объединение и использование распределенной информации, а ГИС технология – ее обработку в соответствии с географической или административной привязкой (рис. 8).

Рис. 8. Информационная среда получения комплексной оценки.

Для формирования сложных оценок на основании однотипных данных выбирается соответствующий слой (с необходимым районом и параметрами) и осуществляется обработка данных в соответствии со стандартными методиками. В случае, когда сложная оценка получается при суммировании данных разного типа, формируется проект из нескольких слоев. Каждому слою назначается коэффициент участия и формируются сложные оценки. Получаемые сложные оценки также являются слоем ГИС. Путем формирования проектов из простых и сложных оценок, а также результатов моделирования, могут быть получены оценки по средам (воздух, вода, почва и т.д.), которые также являются слоями ГИС. Объединив в единый проект оценки по средам, мы получим комплексную оценку состояния объекта на основании разнородных данных.

3. Использование ГИС-технологий для решения проблем охраны окружающей среды в нефтегазовой отрасли

Осознавая потенциальную экологическую опасность предприятий нефтегазового комплекса, в частности российские нефтяные компании провозгласили в качестве одного из приоритетов сохранение экологического равновесия в зонах деятельности своих предприятий. Однако для реального улучшения экологического состояния на территории деятельности нефтегазового комплекса (НГК) требуются громадные инвестиции в технологический комплекс нефтедобычи, в первую очередь, для внедрения природоохранных технологий. В связи с этим для оптимизации экономических затрат предприятий НГК могут быть успешно применены современные средства геоинформационных технологий. Ниже излагается опыт, накопленный в Томском научном центре СО РАН в разработке и использовании ГИС для компьютерного выбора экологически приемлемых природоохранных технологий на основе анализа состояния окружающей среды .

Разработанная ГИС включает следующие компоненты:

· база данных об экологическом состоянии,

· база данных о природоохранных технологиях,

· комплекс программных средств анализа состояния территории и выбора природоохранных технологий.

Задача комплексного анализа состояния окружающей природной среды и выбора на основе этого анализа природоохранных технологий направлена на достижение нормативного качества природной среды. Программный комплекс анализа состояния окружающей среды позволяет выявлять территориальные зоны загрязнения и прогнозировать динамику изменения границ этих зон на основе анализа сценариев экономического развития предприятий. Результаты расчетов зон загрязнения воздуха наглядно иллюстрируются на компьютерных картах (рис.9) с помощью средств ГИС. При этом для расчета величин приземной концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе, содержащихся в выбросах предприятий, использована известная методика ОНД-86. Расчет производится для наиболее неблагоприятных метеорологических условий. Исходными данными для прогноза загрязнения атмосферы и определения зон повышенного загрязнения служили экологические паспорта предприятий и другие информационные материалы природоохранных органов .

Рис.9. Прогноз увеличения площади зоны загрязнения воздуха от сжигания попутного газа в факелах с ростом объемов добычи.

Разработанные средства ГИС - технологий позволяют достигать нормативного качества природной среды на территории деятельности нефтегазового комплекса с помощью моделирования изменений в ее состоянии за счет применения современных природоохранных технологий, выбираемых из базы данных ГИС. Следовательно, применение ГИС-технологий позволяет выбирать экологически приемлемые и экономически целесообразные природоохранные технологии на основе комплексного анализа загрязнения воды, воздуха и почвы. Ниже (рис.10) приведен пример компьютерного моделирования, который иллюстрирует возможность выбора из базы данных ГИС подходящих технологий очистки сточных вод с целью улучшения качества речной воды на территории нефтяных месторождений .

Рис.10. Исходное состояние загрязнения рек на территории нефтяных месторождений сбросами сточных вод.

Перспективы расширенного применения ГИС- технологий для решения комплексных проблем охраны окружающей среды в нефтегазовой отрасли связаны с развитием предлагаемого подхода к улучшению экологического состояния территории на основе использования аэрокосмической информации.

Заключение

Таким образом можно смело утверждать, что ГИС имеет определенные характеристики, которые с полным правом позволяют считать эту технологию основной для целей обработки и управления информацией. С появлением ГИС возможность решения такой задачи как анализ дистанционных данных для их полноценного использования в повседневной жизни, стала реальностью, так как эта технология позволяет собрать воедино и проанализировать различную, на первый взгляд мало связанную между собой информацию, получить основанный на массовом фактическом материале обобщенный взгляд на него, количественно и качественно проанализировать взаимные связи между характеризующими его параметрами и происходящими в нем процессами. ГИС с успехом используется для наблюдения состояния окружающей среды, а также для создания карт основных параметров окружающей среды.

Разработанная на базе ArcGIS ArcInfo 9.1 геоинформационная система комплексной оценки, моделирования и прогнозирования служит основой для построения многоуровневых информационно-измерительные систем (ИИС) и может быть использована при проектировании территорий и для принятия управляющих решений по охране окружающей среды и рациональному природопользованию.

Перспективы расширенного применения ГИС-технологий для решения комплексных проблем охраны окружающей среды в различных отраслях связаны с развитием предлагаемого подхода к улучшению экологического состояния территории на основе использования информации полученной с помощью современных технологий, в частности с помощью аэрокосмической информации.

Литература

1. Алексеев В.В., Куракина Н.И. ИИС мониторинга. Вопросы комплексной оценки состояния ОПС на базе ГИС // журнал ГИС-Обозрение.-2000.-№19.

2. Алексеев В.В., Гридина Е.Г., Кулагин В.П., Куракина Н.И. Оценка качества сложных объектов на базе ГИС // Сборник трудов Международного симпозиума "Надежность и качество 2003". - Пенза 2003.

3. Алексеев В.В., Куракина Н.И., Желтов Е.В. Система моделирования распространения загрязняющих веществ и оценки экологической ситуации на базе ГИС // журнал "Информационные технологии моделирования и управления", №5(23), Воронеж, 2005.

4. Алексеев В.В., Куракина Н.И., Орлова Н.В., Геоинформационная система мониторинга водных объектов и нормирования экологической нагрузки // журнал ArcReview.-2006.-№1(36).

5. Алексеев В.В., Гридина Е.Г., Куракина Н.И. Вопросы обеспечения единства измерений при формировании комплексных оценок // Сборник трудов Международного симпозиума "Надежность и качество 2005". - Пенза 2005.

6. Издание Дата+ ArcReview. - http://www.dataplus.ru.

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.