Информационное обеспечение картографических работ

Создание комплексных геоэкологических карт предъявляет очень высокие требования к составу и полноте информационной базы. Она должна содержать материалы, не только многосторонне характеризующие территорию, но максимально сопоставимые друг с другом (А. В. Антипова, 2001).

Информационная обеспеченность картографических работ охватывает характеристику всех исходных показателей и материалов, которые можно использовать при проектировании и составлении карт экологической тематики.

Однако исходная информация, привлекаемая для целей экологического картографирования, бывает весьма неоднородна для различных территорий, а также отображаемых объектов и разных аспектов их экологической характеристики. В общем виде классификация источников экологической информации проводится по следующим позициям (Е. А. Божилина и др., 1999; В. И. Стурман, 2003):

— характер источника информации (картографическая, аэрокосмическая, статистическая, описательная);

— период временного охвата (долгосрочная, среднесрочная, текущая, сезонная, оперативная, экстренная);

— объект «привязки» информации;

— степень полноты распространения по территории;

— характер объектов «привязки» информации;

— ведомственная принадлежность (материалы государственных органов, предприятий, научно-исследовательских учреждений, коммерческих организаций);

— научные методы и технические приемы, использованные при получении информации (дистанционное зондирование, экспедиционные и стационарные исследования загрязненности компонентов природной среды, состояние биоиндикаторов).

Очевидно, что в экологическом картографировании основополагающее значение имеют картографические источники, к которым относятся топографические и обзорные карты, тематические карты и атласы, материалы аэрокосмических съемок и их обработки.

Ценность топографических карт определяется в первую очередь тем, что именно на их основе выполняются крупномасштабные тематические карты. Кроме того, на них отображено пространственное размещение видов использования земель и источников воздействия на окружающую среду. Благодаря сочетанию на картах обозначений рельефа, растительности, некоторых видов открытого грунта, возможно установление расположения ландшафтных единиц разного ранга. Информация, считываемая с топографических карт, используется при составлении многих экологических карт, например карт устойчивости природной среды к антропогенным воздействиям. Так, по сплошности лесных сообществ, зарослей кустарников и их характеристикам (порода, высота древостоя, диаметр стволов, расстояние между деревьями) можно судить о биологической продуктивности и запасах фитомассы. Морфологические и морфометрические особенности гидрографической сети указывают на способность водных объектов к самоочищению.

Топографические карты настолько высокоинформативны, что, например, при картографировании городов могут использоваться в качестве основных источников для составления обширного ряда специальных карт без существенного привлечения дополнительных материалов. Среди таких специальных карт, построенных на основе топографических карт, можно выделить (В. З. Макаров и др., 2002):

— карты, построенные на основе изолиний рельефа и передающие прежде всего разнообразные морфометрические показатели;

— карты, отражающие количественные показатели встречаемости отдельных явлений и объектов (например, процент обеспеченности города естественными зелеными насаждениями, парками и скверами, заовраженность незастроенных участков, процент территории, занятой строениями, соотношение заасфальтированных и незаасфальтированных участков и т.п.);

— карты, дающие самую разнообразную пространственную характеристику объектов (удаленность экологически уязвимых объектов от опасных предприятий, зоны отчуждения под линиями электропередачи и др.);

— карты компонентов природной среды — геоморфологические, гидрологические и многие другие, составление которых невозможно без сохранения видимых топографических объектов;

— карты природных территориальных комплексов (хотя для более углубленного изучения городских ландшафтов необходимо наряду с топографическими картами использовать прежде всего данные полевых наблюдений);

— карты функционального зонирования территории (в то же время максимально полное изучение функций территории города возможно лишь при использовании широкого спектра источников информации — от полевых наблюдений до данных аэро- и космического зондирования).

Важнейшими из картографических источников являются тематические научно-справочные карты, которые служат базовыми: ландшафтные, карты использования земель (земельных угодий), плотности населения (людности поселений) и общеэкономические (С. Е. Сальников, 1993). По возможности дополнительно привлекаются карты, отражающие загрязнение, нарушение и деградацию окружающей среды.

Среди тематических карт особого внимания заслуживают те, которые создаются посредством государственных съемок, организованных специальными службами на всей территории страны. Это карты лесной таксации, геологические, инженерно-геологические, гидрогеологические, почвенные, землеустроительные, сельскохозяйственные карты.

Для оценки и прогноза состояния и устойчивости современных ландшафтов, силы воздействия на них антропогенных факторов в первую очередь должны использоваться существующие тематические карты мониторинга природной среды. При их отсутствии или неполноте набора необходимо привлекать другие тематические карты природы и социально-экономические карты инвентаризационного типа: геологические, геоморфологические, почвенные, геоботанические, лесные, карты полезных ископаемых, естественных кормовых угодий, болот, эрозии и дефляции почв, размещения промышленности, транспортной сети и др. Очень полезны данные атласов, посвященных отдельным природным ресурсам (например, «Атлас лесов СССР», «Атлас торфяных ресурсов СССР»),

Особую ценность имеют специализированные карты, содержащие основания для оценки и прогноза развития природных явлений, например инженерно-геологические, почвенно-мелиоративные, карты просадочности лёссовых пород, эрозионной и дефляционной опасности, селеопасных районов и др.

Быстрое развитие явлений, фиксируемых на картах экологического содержания, приводит к относительно быстрому моральному устареванию таких карт, в том числе и с точки зрения концептуально-теоретических и методических оснований их построения. Это важно принимать во внимание при использовании подобных карт как источников информации и образцов для последующего воспроизведения (А. А. Лютый, 1998).

В геоэкологическом картографировании широко используются материалы дистанционных космических и аэрофотосъемок (аэрокосмического зондирования). Аэрокосмическое зондирование — комплекс дистанционных методов исследования, включающий многозональную и спектрозональную аэрофотосъемку, тепловую инфракрасную аэросъемку в сочетании с материалами космической, сканерной, телевизионной, радиолокационной, инфракрасной съемки и других видов съемки, осуществляемых с самолетов, искусственных спутников Земли, орбитальных станций и пилотируемых космических кораблей (К. Н. Дьяконов, А. В. Дончева, 2002). В практике наиболее широко используются фото- и сканерные съемки.

Основные достоинства аэро- и космоснимков — их обзорность, одномоментность, высокая разрешающая способность, наглядность и выразительность. Снимки дают интегрированное и вместе с тем генерализованное изображение всех элементов земной поверхности, что позволяет видеть их структуру и связи. Регулярная повторяемость съемок дает возможность прослеживать динамику процессов и явлений. Снимки содержат объективную информацию, не искаженную влиянием каких-либо ведомственных и корпоративных интересов. Так, дешифрирование снимков при составлении экологической карты Волгоградской области позволило уточнить истинную площадь отстойников химических производств городов Волгограда и Волжского. Тогда же была выявлена неточность данных официальной статистики, завышавшей площади лесов и занижавшей площади сельскохозяйственных угодий.

Вопрос об использовании аэро- или космоснимков решается в зависимости от уровня и масштаба проводимых исследований. Съемка с самолетов ведется обычно в масштабах 1:10 000—1: 30 000, с космических аппаратов — 1: 100 000— 1:10 000 000. Поэтому при картографировании городов требуются, как правило, не традиционные космические снимки масштаба 1:200 000 и мельче, а аэрофотоснимки, желательно масштаба 1: 50 000 и крупнее (В. П. Савиных и др., 2000).

Основные направления применения материалов дистанционного зондирования в экологическом картографировании — выявление структуры землепользования, а также ареалов нарушения, загрязнения и деградации природной среды.

Выделение видов использования земель по космическим снимкам производится преимущественно по прямым дешифровочным признакам: различиям в размерах и форме объектов, структуре их изображения и фототона с учетом соседства с теми или иными объектами. Среди четырех категорий использования земель, принятых в системе эколого-географических исследований (неиспользуемые, используемые как естественные угодья, возделываемые и застроенные), наиболее четко дешифрируются две последние, в основном благодаря четким очертаниям и правильным геометрическим формам. Выделяются площадные (сельскохозяйственные поля, сады, орошаемые земли, населенные пункты, участки лесоразработок, промышленные зоны) и линейные объекты (дороги, каналы, трубопроводы, линии электропередачи).

Сельскохозяйственные поля и сады выделяются на изображении резкими угловатыми очертаниями со сравнительно ровным фототоном внутри контура. По разносезонным снимкам можно определить, какими культурами засеяно поле. Орошаемые массивы, более увлажненные по сравнению с богарными, на черно-белых снимках выделяются по более темному фототону, а на цветных синтезированных они окрашены другими оттенками зеленого цвета.

Населенные пункты могут иметь несколько характерных типов рисунка, которые сильно меняются в зависимости от масштаба съемки, размеров населенного пункта, его планировки, но во всех случаях важным дешифровочным признаком населенного пункта на мелкомасштабном космическом снимке остается наличие сходящихся к нему дорог (В. П. Савиных и др., 2000). По снимкам разного масштаба проводится не только функциональное зонирование городов, но и выявление особенностей селитебной застройки (этажность, характер материала и т.д.) (И. Б. Воробьева, Т. И. Коновалова, 1998).

Достаточно уверенно выделяются линейные объекты — железные и автодороги, причем по ширине автодорог часто можно определить и тип покрытия. Подземные магистральные нефте- и газопроводы определяются опосредованно — на снимках можно выявить охранные полосы вдоль трасс, а по их расположению судить о местоположении нефте- и газопроводов.

В целом достоверность определения видов использования земель по космическим снимкам составляет 80-90%. Карты земельных угодий и близкие к ним по содержанию карты использования земель, создаваемые по космическим снимкам, отличаются достаточно высокой точностью и детальностью представленных на них данных. Они могут не уступать по качеству аналогичным картам, составленным по крупномасштабным планам землепользований (В. П. Савиных и др., 2000).

Космоснимки широко применяются для выявления нарушения и деградации природной среды, таких негативных процессов и явлений, как пастбищная дигрессия, водная эрозия, засоление почв, гари, вырубки и др. Наиболее быстро на антропогенное воздействие реагируют биогенные компоненты ландшафта, прежде всего растительность. Антропогенные изменения опознаются, как правило, по более светлому тону фотоизображения. Так, уничтожение коренной растительности или смена многолетников, особенно древесно-кустарниковых видов, на однолетники или эфемероиды приводит к увеличению отражательной способности растительного покрова и появлению на снимке более светлого пятна. Светлое пятно — это также широко известный дешифровочный признак всех колодцев в песчаной пустыне. Используя многозональную съемку, можно отличить также древесную растительность, пораженную энтомовредителями и инфекционными болезнями.

Проявления площадной водной эрозии определяются по интенсивности гумусовой окраски. Смытым почвам на черно-белом космическом снимке свойственно посветление фототона. Линейные формы эрозии (овраги и балки) дешифрируются по характерному дендритовидному рисунку овражно-балочной сети и по демаскирующей их древесно-кустарниковой растительности. Засоление почв определяется по ярко-белым пятнам на снимках, которые соответствуют солевым коркам. Есть опыт картографирования распространения сине-зеленых водорослей, вызывающих цветение водоемов (поверхность, покрытая водорослями, имеет большее альбедо по сравнению с поверхностью чистой воды).

Широко распространенным методом изучения загрязнения атмосферы является картографирование загрязнения снежного покрова вокруг городов, проводимое на базе анализа космоснимков. Снимки выполняются в зимне-весенний период, когда загрязненные участки вскрываются первоначальным снеготаянием. Эффективно использование снимков для пространственного анализа распространения нефтяного загрязнения акваторий. Нефтяные пленки, тонким слоем покрывающие поверхность воды, увеличивают спектральные коэффициенты в 1,5-2 раза, поэтому покрытые нефтью поверхности выглядят на снимках более светлыми и хорошо распознаются (В. П. Савиных и др., 2000). По данным снимков можно также установить места сброса сточных вод за счет увеличения концентрации примесей и изменения яркости изображения.

В настоящее время материалы космосъемок находят широкое применение в ГИС-технологиях. Существуют системы приема и обработки данных дистанционного зондирования, например ERDAS.

Статистические источники применяются в основном в трех направлениях. Главное из них — получение информации о загрязнении окружающей среды.

В России функционирует государственная система учета загрязнения окружающей среды. В рамках первичного учета проводятся замеры или расчеты выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и сбросов загрязненных сточных вод по каждому производственному процессу или единице оборудования, функционирование которых сопряжено с выделением загрязняющих веществ. Предприятие осуществляет контроль за своими выбросами и сбросами, обобщая их в статистической отчетности по формам 2-ТП (воздух) и 2-ТП (водхоз). Данные о выбросах и сбросах от различных источников в Российской Федерации публикуются в ежегодных государственных докладах о состоянии окружающей природной среды Министерства природных ресурсов РФ (МПР) и в отчетах Федеральной службы государственной статистики РФ и ее территориальных органов.

Форму 2-ТП (воздух) представляют предприятия, имеющие стационарные источники загрязнения атмосферного воздуха, кроме тех предприятий, на которых выбросы загрязняющих веществ в атмосферу не превышают установленных нормативов предельно допустимых выбросов (ПДВ) и составляют в год 100 т и менее. Объемы выбросов определяют расчетным путем на основе отраслевых нормативов с учетом продолжительности работы единиц оборудования и удельных выбросов от них.

Расчетные методы определения объемов загрязнений имеют много существенных недостатков. Из-за нарушений технологии, износа оборудования, неполноты и несовершенства системы учета фактические выбросы могут многократно превышать расчетные. Количество и набор ингредиентов выбросов, определяемые расчетными методами, могут отличаться от действительных. Введение экономического механизма регулирования природопользования на основе принципа «загрязнитель платит» создало ситуацию, при которой предприятия объективно заинтересованы в занижении объемов загрязнения.

Органы МПР в целях контроля за соблюдением статистической отчетности проводят выборочные измерения некоторых параметров отходящих газов и характеристик состояния воздуха. Однако необходимая для контроля за выбросами разветвленная сеть мониторинга в настоящее время отсутствует, техническая оснащенность природоохранных служб недостаточна.

Контроль за источниками загрязнения поверхностных вод в значительной степени схож с контролем за атмосферными выбросами: предприятия представляют данные о водопотреблении и водоотведении для определения соответствующих платежей по форме 2-ТП (водхоз); природоохранные органы периодически проверяют достоверность этих данных. Отчет по форме 2-ТП (водхоз) включает многочисленные показатели, характеризующие водопотребление: объемы воды, забранной из природных источников, использованной и потерянной при транспортировке; состав сточных вод; лимиты водоотведения и т. д.

Показатели содержания загрязняющих веществ в сточных водах определяются аналитическим или расчетным путем. Следует отметить, что статистическая форма 2-ТП (водхоз) в части, касающейся сбросов поллютантов, менее детализирована, чем форма 2-ТП (воздух), так как в ней предусмотрены лишь графы для десяти учитываемых веществ вместо открытого списка. В обеих формах не предусмотрен учет временной динамики выбросов и сбросов.

Таким образом, при использовании данных государственной статистики следует учитывать, во-первых, неполноту данных, во-вторых, их невысокую объективность.

Источниками статистических данных о состоянии здоровья населения служат отчеты лечебно-профилактических учреждений по форме № 1, отчеты-вкладыши об обслуживании отдельных групп населения и групп больных, а также сводки по территориям обслуживания поликлиник, административным районам, городам и т. д. Характеристиками состояния здоровья населения являются величина смертности или заболеваемости (общие или по отдельным заболеваниям и их группам, для всего населения или для отдельных половозрастных и социально-профессиональных групп), показатели физического развития, а также обобщающие интегральные показатели здоровья.

При использовании данных медицинской статистики возникает серьезная проблема их территориальной привязки. Статистический учет ведется по поликлиническим участкам, границы которых, как правило, не имеют ничего общего с контурами наиболее широко используемых операционно-территориальных единиц (ландшафты, ареалы экологических ситуаций и т.д.). Один из ярких примеров — выводы о заболеваемости населения некоторыми профессиональными болезнями, не учитывающие того факта, что люди живут в одних районах города, а работают в других. Решение этой проблемы возможно лишь на основе использования современных геоинформационных технологий, автоматизированной привязки первичных данных и создания более гибкой системы учета. Кроме того, состояние здоровья отдельного человека или населения в значительной мере связано с генетическими особенностями индивидуумов, не всегда поддающимися пространственному учету.

Социально-экономические показатели также необходимы при проведении антропоэкологического картографирования. Специалисты по экологии человека используют в своих исследованиях официальные материалы, характеризующие социально-экономические условия жизни населения, прежде всего те, которые публикует Федеральная служба государственной статистики РФ (Росстат): численность населения и количество семей, браки и разводы; социальное обеспечение; доходы населения и бюджет семьи; потребление материальных благ и услуг; жилищные и коммунальные условия; миграции населения; число и структура зарегистрированных преступлений и др.

К справочно-литературным источникам, которые могут использоваться в сфере геоэкологического картографирования, относятся главным образом научные публикации: собственно экологические, географические, геологические, биологические, почвенные, земельные, сельско- и лесохозяйственные, гидрологические, климатические, технические, экономические, юридические, социологические, демографические, этнографические, медицинские и ДР.

Необходимые для целей экологического картографирования данные содержатся и в материалах государственных органов, деятельность которых связана с природопользованием и охраной окружающей среды. К ним относятся: Министерство природных ресурсов, Министерство сельского хозяйства, Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека и др. Эти органы проводят регулярные мониторинговые наблюдения и натурные обследования, результаты которых применимы для характеристики состояния отдельных элементов окружающей среды.

Так, Федеральное агентство недвижимости (Роснедвижимость) и его региональные подразделения, решая вопросы землеустройства территории, накапливают информацию о распределении и площади различных категорий земель (ранее эту работу вел Государственный земельный комитет). Как правило, они же занимаются оценкой сельскохозяйственных угодий и могут предоставить данные о пространственном размещении процессов загрязнения, нарушения и деградации земель. В ведении Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды находятся вопросы контроля за состоянием атмосферного воздуха в населенных пунктах и качеством поверхностных вод, осуществляемого специальной сетью стационарных постов. Эти данные можно найти в ведомственных документах, часть из них публикуется (сборник «Ежегодные данные о качестве поверхностных вод суши» и др.). Многие ведомственные материалы входят в ежегодные государственные доклады о состоянии окружающей природной среды Российской Федерации и ее отдельных регионов.

В качестве источников информации также могут использоваться отчеты научных и учебных учреждений, проводящих научно-исследовательские работы экологической направленности.

При работе над геоэкологическими картами можно использовать и оперативные сообщения СМИ, поднимающие экологические проблемы, информирующие о состоянии окружающей среды в тех или иных районах и городах, о фактах нарушения природоохранного законодательства, природных и техногенных катастрофах. Однако достоверность этой информации должна быть тщательно проверена.

Современные технологии картографирования. Исследование и картографирование геосистем, составляющие начальный этап геоэкологического картографирования, наталкиваются на следующие трудности: необходимость большого объема информации для изучения экологических, природных и социально-экономических показателей, характеризующих геосистемы как операционные единицы; преобладание в описаниях и классификациях этих показателей качественных характеристик, трудно оцениваемых количественно; отсутствие методик проведения комплексной оценки; сложность, а зачастую и невозможность постановки экологических экспериментов традиционными методами (В. З. Макаров и др., 2002).

Преодолению перечисленных и многих других возникающих препятствий может способствовать использование компьютерных технологий для создания геоэкологических карт и их последующего анализа. При таком подходе можно не только создавать, но и на основе поступающей новой информации оперативно обновлять экологические карты, формировать картографо-экологические модели применительно к решению разнообразных задач экологической оценки, прогноза, экспертизы и т.д.

С практической точки зрения автоматизированное картографирование — это системный технологический процесс, объединяющий сбор и обработку цифровых данных о территориальных объектах, формирование на ЭВМ цифровой модели местности, ее дополнение и обновление с использованием банка картографических, аэрокосмических и других данных и получение с помощью этой модели различных аналитических, графических и картографических материалов для конкретного потребителя.

На первых этапах разработки методов автоматизированного картографирования в задачи ЭВМ вменялось проведение необходимых математических расчетов и представление их в простейшем графическом виде. Однако стремительное развитие вычислительной техники и ее периферийных устройств, разработка мощных и доступных всем коммерческих программ привели к тому, что автоматизированные методы картографирования из области научных разработок перешли в область повсеместного практического использования.

Получаемые с помощью компьютеров электронные карты позволяют исследователю — автору карты работать в диалоге с машиной и открывают широкие перспективы для оперативного построения моделей, отражающих не только статику, но и динамику явлений путем сопоставления различных объектов в пространственно-временном аспекте, что особенно важно для проведения экологических экспертиз.

Работая в интерактивном режиме с электронными картами, с помощью манипуляторов можно высвечивать, увеличивать отдельные участки изображения для детального анализа, а также совмещать их для получения синтезированной информации, масштабировать изображения и тем самым отражать развитие или регрессию изучаемого явления. Организация доступа к отдельным, выбираемым по необходимости оператором, элементам карты позволяет изучать соотношения между компонентами для более точного анализа событий. Наличие редакторского режима дает возможность оперативно вносить изменения и моделировать существующую или прогнозируемую обстановку. Таким образом на экране дисплея возникает картографическое изображение, оперативно оформляемое в мгновенно выбираемой системе условных знаков, постоянно зрительно наблюдаемое и контролируемое во всех его изменениях в процессе компьютерного составления (В. З. Макаров и др., 2002).

Электронные карты в отличие от традиционных характеризуются следующими качественно новыми свойствами и возможностями использования (Т. В. Котова и др., 1998):

— постоянное обновление информационного поля (базы цифровой картографической и семантической информации);

— интегрированное отображение на одном экране совместно обрабатываемых априорных и оперативных данных;

— отбор данных и построение изображения, соответствующего информационным потребностям пользователя (пользователь может добавлять или убирать информацию, отображаемую на экране, менять масштаб и проекцию, получать псевдообъемные и динамические изображения, использовать оптические эффекты);

— автоматическая картометрия (определение координат и направлений, расстояний и длин, площадей и объемов, построение изолиний уровней и поверхностей);

— автоматическое документирование оперативной обстановки на единой картографической основе;

— открытость информационного поля и математического обеспечения (расширяет круг решаемых задач).

В настоящее время большое количество картографических материалов накоплены в миллионах листах карт различного масштаба и назначения на бумажной основе. Для эффективного использования этого поистине безграничного фонда информации об окружающем нас мире необходимы разработка и применение новых «безбумажных» информационных технологий, позволяющих оперативно выполнять целенаправленную обработку и автоматизированную интерпретацию картографических данных; создание цифровых карт.

Под цифровой картой обычно понимают цифровую запись в памяти ЭВМ картографической информации о местности (территориальных объектах, различных природных и социально-экономических процессах и явлениях) в необходимых кодах, структурах, форматах и системах исчисления (В. 3. Макаров и др., 2002). Иными словами, цифровая карта — представление объектов карты в цифровой форме в виде базы данных, позволяющее сохранять значения их атрибутов в памяти компьютера, манипулировать с этими значениями и выводить необходимые данные в различных форматах на экран, на принтер.

Для решения различных научных и прикладных задач создаются и используются производные от цифровых карт — электронные карты. Электронная карта — цифровая карта, визуализированная или подготовленная к визуализации на экране в специальной системе условных знаков. Электронные карты получают путем преобразования цифровых с помощью современных средств машинной графики.

Электронные карты легко воплотить в традиционную бумажную или пластиковую форму, используя современные лазерные или струйные принтеры, имеющие высокое графическое разрешение. При этом получаются компьютерные карты.

Компьютерное эколого-географическое картографирование включает следующие основные процессы:

— подготовка исходных картографических материалов;

— оцифровка, обработка и редактирование цифровой картографической информации;

— формирование картографических изображений для хранения в архиве и выдачи по запросам.

В настоящее время наметился новый этап в развитии автоматизированного картографирования — геоинформационное картографирование, предусматривающее создание и целенаправленный анализ картографических изображений на базе географических информационных систем (ГИС). Географические информационные системы предназначены для решения научных и прикладных задач инвентаризации, анализа, оценки, прогноза экологических показателей и ситуаций и управления ими с помощью создания и использования компьютерных (электронных) карт, атласов и других картографических произведений, которые составляют информационно-картографическое обеспечение принятия управленческих решений (А. М. Берлянт, 2001).

При создании ГИС главное внимание всегда уделяют выбору географической основы и базовой карты, которая служит каркасом для привязки, совмещения и координирования всех данных, поступающих в ГИС, для взаимного согласования информационных слоев и последующего анализа (Картоведение, 2003). В экологических ГИС в качестве базовых чаще всего используют топографические карты, ландшафтные и карты использования земель.

ГИС подразделяются по тематике. Созданы специализированные земельные информационные системы (ЗИС), кадастровые (КИС), городские или муниципальные (МГИС), для предотвращения и локализации последствий чрезвычайных ситуаций (ГИС для целей ЧС) и др. Видное место среди них занимают экологические геоинформационные системы (ЭГИС, ЭкоГИС) — автоматизированные аппаратно-программные системы, осуществляющие сбор, обработку, преобразование, отображение и распространение пространственно-координированных экологических данных (А. М. Берлянт, 2001; К. Н. Дьяконов, А. В. Дончева, 2002).

Основу экологических информационных систем составляют базы цифровых экологических данных и автоматические картографические системы с подсистемами ввода, логико-математической обработки и вывода данных. Информационное обеспечение таких систем — экологические карты и атласы, аэро- и космоснимки, статистические и гидрометеорологические данные, результаты экологических исследований (К. Н. Дьяконов, А. В. Дончева, 2002).

Базы данных делятся на два типа: картографической информации (цифровые топографические и тематические карты, аэро- и космоснимки) и атрибутивной (описательной). Например, в атрибутивную базу данных «ГИС-нефтепромысел» включены данные химических анализов природных сред за разные годы, описания почвенных профилей, климатические, гидрологические, геоморфологические, инженерно-геологические, геоботанические и другие характеристики природных компонентов ландшафта, полученные на ключевых участках и вдоль трассовых маршрутов, словесные описания состояния элементов обустройства нефтепромыслов и трассы нефтепровода (В. З. Макаров и др., 2004).

Структуру ГИС обычно представляют в виде набора информационных слоев. Например, базовый слой содержит данные о рельефе, затем следуют слои гидрографии, дорожной сети, населенных пунктов, почв, растительного покрова, распространения загрязняющих веществ и т.д. В процессе решения поставленных задач слои анализируют по отдельности или совместно в разных комбинациях, выполняют их взаимное наложение (оверлей) и районирование, рассчитывают корреляции и т.п. (Картоведение, 2003).

При оцифровке карт всю графическую информацию с них, даже однотипные данные, следует разносить по отдельным слоям. Подобное структурирование исходных картографических слоев в дальнейшем облегчает возможность манипулирования ими при создании разнообразных картографических основ и производных тематических карт.

Программным обеспечением ГИС предусмотрен широкий набор функций — иногда их число достигает 150, причем некоторые включают целую группу технологических операций. О двух функциональных группах следует сказать особо — это пространственный анализ (геоанализ) и пространственное моделирование (геомоделирование), составляющие технологическое ядро ГИС.

В рамках пространственного анализа одна из важнейших функций — создание и обработка цифровых моделей рельефа (ЦМР). Под ЦМР принято понимать средство цифрового представления трехмерных пространственных объектов (поверхностей, или рельефов) в форме трехмерных данных, включающих множество высотных отметок (отметок глубин) и иных значений координаты 2 в узлах регулярной или нерегулярной сети, или в виде совокупности записей горизонталей (изогипс, изобат) (Ю. Б. Баранов и др., 1999). Использование ЦМР предполагает расчет разнообразных «частных характеристик» рельефа, под которыми понимаются значения углов наклона, экспозиций и формы склонов и др.

ЦМР широко используются для решения задач геоэкологического картографирования, прежде всего оценки эрозионной опасности, которая рассчитывается как функция набора геолого-геоморфологических, почвенных и климатических параметров, включая морфометрические (углы наклона и экспозиции), а также характеристик использования земель.

Другая сфера приложения ЦМР — это моделирование поверхностного стока и механизма миграции загрязнений. В качестве примера можно привести проект экологической оценки территории Новосибирского Академгородка средствами ГИС. В процессе работы были получены производные слои и карты углов наклона, экспозиций и направлений стока, которые затем были использованы для оценки направлений поверхностного стока локальных загрязнителей. Комплексный пространственный анализ данных привел к заключению, что изначальная планировка Академгородка представляла собой экологически продуманный проект, сочетающий жилую застройку и научно-исследовательский комплекс, эффективно встроенные в рельеф и ландшафтное окружение.

Геомоделирование предполагает возможность построения и использования моделей объектов с пространственно-распределенными параметрами, в том числе пространственно-временных моделей динамики процессов. Геомоделирующие функции могут быть встроены в программное обеспечение ГИС; обычно это математико-статистическая обработка данных о пространственных размещениях и временных рядах, межслойный корреляционный и регрессионный анализ взаимосвязей разнотипных объектов, отдельные геоимитационные модели «поведения» геосистем: эрозии почв, диффузии, эпизоотий, лесных пожаров, наводнений, распространения загрязнений в атмосфере крупных индустриальных центров, сейсмической активности или последствий техногенных аварий.

С помощью математических моделей можно прогнозировать обстановку, оценивать опасность природного или техногенного воздействия, рассчитывать поле этого воздействия, ущерб от него, вырабатывать план действий. Так, авторами уже упоминавшейся «ГИС-нефтепромысел» была разработана математико-картографическая модель, позволяющая определять наиболее вероятные направления утечек нефти и возможную площадь загрязнения от каждой эксплуатационной скважины и планировать размещение систем защиты от аварийных разливов (В. З. Макаров и др., 2004).

Наличие у программного продукта развитых пространственно-аналитических и геомоделирующих функций — необходимый и достаточный признак для квалификации системы как геоинформационной. Именно это отличает ГИС от иных систем и используемых для их создания программных средств: систем автоматизированного проектирования (САПР) и компьютерной графики в целом, не без успеха используемых в подготовке картографической графики; автоматизированных картографических систем; средств настольного картографирования и картографических визуализаторов, способных полностью компьютеризировать процесс составления и издания традиционных бумажных карт, подготовки цифровых карт и их видеоэкранных отображений в форме электронных карт и атласов; систем цифровой обработки изображений (например, аэросъемок, съемок Земли из космоса).

Вовлечение геоинформационных технологий в процесс геоэкологических исследований обусловило резкий скачок количества эколого-картографической продукции и ее качества. Во-первых, применение геоинформационных технологий значительно повышает оперативность геоэкологического картографирования, неоценимую для проведения мониторинга загрязнения, слежения за конкретными его источниками и т. д. Во-вторых, современное программное обеспечение помогает сводить в единую систему разные источники информации: картографические, текстовые, материалы дистанционного зондирования, базы данных, графики и пр. В-третьих, и это самое главное, геоинформационные технологии позволяют создавать геоэкологические модели территорий и оперировать ими с помощью оверлейных процедур, цифровых моделей рельефа и др. (Б. А. Новаковский и др., 2005).

Современные рынки программных средств ГИС предлагают чрезвычайно широкий ассортимент продуктов разных ценовых и функциональных категорий. Существует небольшое количество специализированных программных продуктов; гораздо более широкое распространение получили коммерческие ГИС общего назначения. По данным анализа рынка программных средств ГИС, лидерами российского рынка в настоящее время являются: среди ГИС — ARC/INFO (ESRI, Inc., США), MapInfo (Mapinfo Соrp., США), ArcView (ESRI, Inc.) и ГеоГраф (Центр информационных исследований ИГ РАН, г. Москва); среди векторизаторов — Easy Trace (Easy Trace Group — ООО «Колет», г. Рязань) и MapEdit (ЗАО «Резидент», г. Москва); среди САПР с элементами ГИС — AutoCAD (Autodesk., Inc., США), MicroStation (Bentley Systems, Inc., США) и CREDO (Научно-производственная компания «Кредо-Диалог», Беларусь); среди специализированных средств ведения земельного кадастра — GeoCAD Systems (Геокад, Ltd., г. Новосибирск) и Геополис (Новосибирский региональный кадастровый центр «Земля», г. Новосибирск).

Как уже отмечалось, развитые функции ГИС находят разнообразное применение, включая задачи геоинформационного картографирования — создания компьютерных («бумажных») и электронных (видеоэкранных) атласов. Последние получают все более широкое распространение, обычно в виде записей на компакт-диски, как альтернатива «бумажным» картографическим изданиям (А. В. Кошкарев, 1999).

Преимущества электронного картографирования — в его оперативности, гибкости и многовариантности. Составление электронных версий атласов требует меньше времени и материальных затрат, позволяет применять средства анимации и мультимедийные средства и, что особенно важно, дает возможность регулярно обновлять карты. Благодаря постоянно дополняемому и обновляемому банку пространственных данных электронные атласы оперативно воспроизводятся и превращаются в инструмент информационной поддержки при принятии решений по управлению территориями.

В России уже накоплен определенный опыт электронного атласного картографирования, позволяющий сделать ряд важных выводов, касающихся прежде всего использования программных средств. Программное обеспечение должно быть доступным широкому кругу потребителей, в том числе адаптированным к любым персональным компьютерам, обеспечивать вывод данных в любой удобной для потребителя форме; база данных должна своевременно обновляться.

Определенные требования предъявляются и к базе данных. Она должна быть единовременной (т. е. хранящиеся в ней количественные данные по всем переменным должны относиться к одному моменту времени), достаточно подробной, позиционно точной, абсолютно совместимой с другими данными, адекватно отражающей характер явлений, доступной для пользователя.

В настоящее время огромное число карт и атласов размещается в Интернете. Среди карт и атласов, пользующихся наибольшим спросом, называют и карты состояния окружающей среды и природных катастроф. Востребованность карт и атласов экологической тематики у пользователей электронных сетей открывает широкие перспективы перед их разработчиками.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.