Применение гис в экологии. Использование ГИС-технологий в региональных и локальных экологических исследованиях (на примере Калужской обл.)

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.

Мониторинг, как система для наблюдения, оценки и прогноза состояния окружающей среды, включает в себя два направления:

• 1. информационное;
• 2. управленческое.

Объединение этих направлений и управление строится на решениях, которые базируются на информации, получаемой с помощью аэрокосмических и наземных информационных служб. Обработка результатов экологических обследований территорий должна проводиться таким образом, чтобы обеспечить удобство пользования данными, возможность пополнения единой базы данных, а итоговые результаты должны объективно отражать состояние окружающей среды. Эффективная организация и анализ используемой информации возможны в рамках геоинформационных систем (ГИС).

Развитие визуальной интерпретации многомерных данных и ГИС-технологий связано, в частности, с тем, что человеку с его ограниченным трехмерным пространственным воображением сложно, а в большинстве случаев невозможно, анализировать и давать обобщенные оценки многомерным объектам.

Технология обработки информации в ГИС значительно шире, чем просто работа с базой данных. Она рассчитана также на проведение экспертных оценок, т.е. ГИС должна включать в свой состав экспертную систему. Данные, хранящиеся и обрабатываемые в ГИС, имеют не только пространственную, но и временную характеристику.

ГИС предполагают возможность интегральной обработки цифровых данных, имеющих разные типы представления и получаемых из различных источников: картографических, статистических результатов полевых исследований, материалов дистанционной съемки. Преимущества организации и хранения информации в ГИС - возможность оперативного представления информации на электронной карте, при этом пользователь может работать одновременно с картографической информацией и с базой данных (тематической информацией).

Применение ГИС позволяет проводить прогнозирование изменения состояния окружающей среды при изменении техногенной нагрузки на основе заданных моделей воздействия.

Наиболее рациональным и эффективным методом хранения и обработки данных мониторинга природных территориальных систем считается метод геоинформационного картографирования. В основе этого метода лежит использование специального программного обеспечения - геоинформационных систем (ГИС), предназначенных для сбора, хранения, обработки и визуализации пространственно-координированных данных, т.е. данных, имеющих определенную территориальную привязку. Поэтому метод геоинформационного картографирования изначально, по самой своей идее, адаптирован для обработки данных, относящихся к экосистемам, которые являются системами территориальными Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии. М.,1998, 230с. .

Принципиальной особенностью геоинформационных систем, адаптированных для анализа данных, собранных системными методами, является то, что они позволяют не только оптимизировать хранение и обработку результатов исследований, но и существенно повысить информационную и научную значимость первичных данных. Это достигается за счет того, что результаты полевых наблюдений, собранные порой без учета взаимодействия различных компонентов экосистемы, организуются и анализируются в самой геоинформационной системе определенным образом, позволяющим выявлять структуру ценотических связей организмов в экосистеме.

Информационные системы, с помощью которых можно эффективно накапливать и обрабатывать результаты экосистемных исследований, помимо базы данных, должны включать:

• 1. электронные карты с послойным разбиением изображений;
• 2. программы статистической и более сложной математической обработки данных;
• 3. систему построения прогностических моделей развития экосистем.

Компьютерные карты с послойным разбиением изображений. Карты должны отображать особенности геологической и тектонической истории данного района, его геоморфологию, структуру почвенного и растительного покрова, видовой состав, численность и распределение животных. В качестве основы для создания электронных карт используется результаты геологических, почвенных, ботанических и геоботанических, а также зоологических исследований, проводившихся в заповеднике и на сопредельных территориях. В дальнейшем необходимо проведение полевых исследований для уточнения легенды карт, определения взаимосвязи между различными компонентами природной среды, включение в легенды карт ключевых параметров, определяющих структуру и функционирование экосистем заповедника. Уточнение и детализация карт проводится по мере накопления фактических данных по различным компонентам неживой и живой природы.

Базы данных и аналитических программ. Необходимо провести поиск имеющихся или создать собственные программы базы данных и математического анализа результатов исследований, обеспечивающих проведение сложных статистических расчетов и определения показателей, характеризующих структуру и функционирование экосистем заповедника.

Количественная графическая модель, характеризующая структуру биоценотических связей организмов в экосистемах заповедника. Уточнение и детализация модели проводится по мере накопления данных о взаимосвязи различных элементов природных сообществ. Программа должна обеспечивать возможность прогностического моделирования процессов и явлений, происходящих в экосистемах заповедника и сравнительного анализа данных полученных в других сообществах.

Принципы организации ГИС позволяют в определенной мере выявлять структуру природных сообществ на основе разрозненных данных по разным компонентам экосистем. Однако для эффективного изучения экосистемных связей и разработки адекватных методов сбора, хранения и обработки информации с помощью компьютерных программ необходимо использовать описанные выше системные методы сбора первичных данных. Постепенное накопление данных по различным компонентам экосистем заповедников позволит лучше понять структуру и функционирование природных сообществ, выявить ключевые ценотические связи организмов, разрабатывать научно-обоснованные методы охраны и управления природными ресурсами.

Технология создания геоинформационных систем

Набор современных программных продуктов для ГИС-картографирования весьма разнообразен.

В общем виде такие системы предназначены, как уже отмечалось, для хранения пространственно-координированных данных, их элементарной обработки и визуального представления в виде карт. Решение более сложных задач, связанных, например, с построением прогностических моделей, требует использования дополнительных программных средств.

Наиболее общие принципы построения для большинства геоинформационных систем отличаются незначительно и в целом довольно просты.

Любой объект, изображаемый на географической карте, имеет две "составляющие": он характеризуется, во-первых, своим географическим положением в определенной системе координат, и соответственно, геометрическими свойствами, во-вторых - набором тематических свойств, т.е. содержанием.

Основными графическими типами являются точка, линия и ареал (площадной объект).

Тематические характеристики могут быть разнообразными по типу. Основными наиболее часто используемыми типами являются строка, число (целое или десятичное), дата; могут также использоваться графические объекты и типы, имеющие свою внутреннюю структуру.

В практике геоинформационного картографирования принято разделять содержание карт на т. н. "тематические слои" (не аналогичные цветовым слоям традиционных карт). В тематический слой объединяются объекты одной природы (например, горизонтали, речная сеть, озера, дороги, лесные ареалы, места встреч с животными и т.п.).

"Хорошим тоном" при разработке ГИС считается не совмещать в одном слое объекты разных графических типов - линейные (реки), площадные (озера) и точечные (родники), а формировать для каждого из них отдельный слой.

Таким способом достигается возможность, комбинируя разные слои, получать карты различного содержания. Некоторые слои, такие как границы, гидросеть, как правило, присутствуют всегда; другие (рельеф, растительность, дорожная сеть) показываются лишь в некоторых случаях.

Каждый тематический слой включает в себя набор графических объектов и, как правило, тематические свойства этих объектов. В простейшем случае тематические данные могут иметь вид двумерной таблицы. В каждом столбце находятся данные одного типа, характеризующие одно из свойств; каждая строка представляет набор данных, относящихся к общему графическому объекту.

Системы анализа данных и построение прогностических моделей

Современные ГИС в большинстве представляют собой системы универсальные, предназначенные для решения любых задач, но не ориентированные на решение какой-либо конкретной задачи. В них содержатся потенциальные возможности для анализа данных любого содержания. Однако специальные тематические аналитические блоки должны быть разработаны "под конкретную задачу" программистом или квалифицированным пользователем.

Для этой цели в ГИС предусмотрены специальные средства двух уровней сложности - система запросов SQL и специальные языки программирования (Avenue в ArcView, Map Basic в MapInfo и т.п.). Система запросов осуществляет элементарные расчеты и выборки из базы данных. Она включает:

ь набор операторов: =, <>, >, <, >=, <=, +, - , /и т.д.

ь набор функций: Abs (модуль), Area (площадь объекта), Perimetr (периметр объекта), Sin, Cos, Min, Max, Sum и т.д.

ь набор функций, позволяющих определить территориальную общность объектов, относящихся к разным тематическим слоям.

Более сложные и точные модели, использующие приемы дифференциального и интегрального исчисления, которые позволяют проводить анализ биоценотических связей организмов, следует разрабатывать в специальных программных средах - MapBasic, Avenue и др.

Так на основе анализа численности популяции в разновозрастных биогеоценозах может быть составлена прогностическая модель численности и территориального распределения видов. Основой для этого будут служить два тематических слоя: карта типов биогеоценозов (с указанием возраста) и карта количества встреченных особей.

По результатам анализа может быть получена сводная таблица плотности особей по типам биогеоценозов или график зависимости плотности популяции от возраста (как для случая естественного возобновления, так и для случая искусственных насаждений). В дальнейшем, используя построенную модель, можно прогнозировать влияние антропогенных воздействий на экосистемы (например, вырубок, или посадок молодняка) на численность того или иного вида, а также изменения численности во времени как результат сукцессионных изменений экосистемы.

Специфические особенности ГИС для заповедников

В практике заповедного дела значительная часть получаемой информации в принципе относится именно к типу пространственно-координированных данных - это данные встреч с животными, данные маршрутных учетов и другие, не говоря о собственно картографических материалах.

Однако появившееся новое техническое средство необходимо применять в работе заповедников не просто потому, что оно существует. В российских заповедниках в течение десятилетий был собран огромный и ценнейший объем информации, который сегодня является мертвым грузом и практически недоступен для использования. Создание на этой основе компьютерной базы данных, в особенности - картографической системы - это способ сделать собранные данные доступными для научного анализа.

экологический мониторинг географическая информационная

Фактически до настоящего времени сбор данных в заповедниках носит "неформальный" характер - система учета часто не имеет четкой структуры, временная и пространственная привязка данных могут быть даны качественно, что делает весьма трудной их автоматизированную обработку.

Переход к использованию ГИС-технологий не требует вносить практически никаких изменений в содержание наблюдений, но форма их фиксации должна стать качественно иной, значительно более жесткой.

Использование табличных структур организационно очень выгодно, т.к. не позволяет наблюдателю оставлять в таблице "пустые места". Таким образом, удовлетворяется требование полноты собираемых данных. С другой стороны, при подобном способе учета формируется система данных унифицированной структуры, что позволяет заносить данные в компьютер и делает возможным не только хранение, но также алгоритмическую обработку собираемых данных.

Аналогичная структура данных, адаптированная для компьютерной обработки, может быть определена и для результатов маршрутных учетов. В этом случае также могут быть разработаны алгоритмы экстраполяции этих данных на всю территорию с последующим отображением на карте.

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.

Что такое ГИС?ГИС (Геоинформационная система) - система
сбора, хранения, анализа и графической
визуализации пространственных(географических)
данных и связанной с ними информацией о
необходимых объектах. В более узком смысле -
ГИС как инструмент (программный продукт),
позволяющий пользователям искать, анализировать
и редактировать цифровые карты, а также
дополнительную информацию об объектах,
например высоту здания, адрес, количество
жильцов.

История ГИС

Этапы развития ГИС

Этапы развития ГИС

Этапы развития ГИС

Этапы развития ГИС

Разделение ГИС

Классификация ГИС - ресурсов

Примеры ГИС-ресурсов

Примеры ГИС – ресурсов

ЭкоГИС

Заключение

2.1.Общая методика проведения экологических

2.2.Особенности компонентного состава

Глава 3. Использование ГИС для ведения локальных экологических исследований (наполнение блока «экология»

3.1.Создание слоя квартальной застройки базовой картографической основы города Калуги как необходимое условие для проведения дальнейших

3.2.Картографическая оценка качества окружающей среды на территории города Калуги по стабильности

3.3.Локальная оценка качества вод малых рек окрестностей города Калуги с использованием ГИС (Ячейка. Терепец. Киёвка, Калужка).

3.4. Картографическая оценка качества окружающей среды на территории Калужского городского бора.

3.5.Создание кадастра древесных и кустарниковых растений произрастающих на улицах города Калуги с использованием ГИС.

Глава 4. Использование ГИС для ведения региональных экологических исследований (наполнение блока «экология» ГИС Калужской области).

4.1 .Картографическая оценка качества окружающей среды на территории Калужской области по стабильности развития берёзы повислой.

4.2.Региональная оценка качества вод с использованием ГИС в некоторых реках Калужской

4.3.Создание карт оценки качества окружающей среды по результатам биоиндикационных исследований на территории ООПТ (национальный парк «Угра» и заповедник «Калужские засеки»).

4.4.Картографическая оценка качества окружающей среды на территории Калужской области по заболеваемости экопатологиями детей до

4.5. Создание кадастра редких и исчезающих видов грибов, растений и животных на территории Калужской области как блока ГИС «Красная книга

Глава 5. Сравнительный анализ данных экологических исследований в среде ГИС.

5.1 .Сравнительный анализ качества окружающей среды по состоянию древесных и кустарниковых растений и по показателю стабильности развития древесных растений на территории Ленинского округа города Калуга за 2004 год.

5.2.Сравнительный анализ качества водной среды по результатам гидробиологических и химических исследований в малых реках окрестностей города

5.3.Сравнительный анализ карт распространения редких и исчезающих видов грибов, растений и животных и суммарной изученности территории

5.4.Сравнительный анализ карт распространения редких и исчезающих видов грибов, растений и животных и суммарной биоиндикацонной карты на территории Калужской области в период с 1997 по

5.5.Сравнение суммарных биоиндикационных

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Использование ГИС-технологий в региональных и локальных экологических исследованиях (на примере Калужской обл.)"

Актуальность темы. Рост численности населения и развитие техносферы существенно расширили область взаимодействия человека и природы. Действуя, не считаясь с законами живой природы и нарушая экологическое равновесие для удовлетворения своих потребностей, человечество, в конечном итоге, поставило себя в еще большую зависимость от состояния окружающей среды. Для выживания и дальнейшего развития человечества необходимы изучение Земли как целостной системы и формирование банка данных и знаний о процессах и элементах природной среды и общества в широком спектре их взаимодействия, анализ, оценка и прогнозирование динамики явлений и процессов, происходящих в окружающем мире с целью принятия экологически грамотных решений в сфере взаимодействия природы и общества (Экоинформатика. 1992). Для реализации рационального управления окружающей средой с учётом научно - обоснованных решений необходимо создание экологических информационных систем. Программа ООН по окружающей среде (ЮНЕП), созданная в 1972 году предусматривает создание глобальной системы наблюдения за окружающей средой. Данные для этой системы поставляют глобальная система наблюдения за окружающей средой (ГСМОС), информационно-справочная система ИНФОТЕРРА и другие крупные межнациональные проекты (Risser, 1988. Гершензон. 2003). С 1980 года развивается глобальная база данных о природных ресурсах (ГРИД). Работу с огромными массивами данных, информации и знаний, которые накопило и продолжает постоянно получать человечество, должны облегчить использование новых информационных технологий, в частности использование географических информационных систем (ГИС). ГИС - это компьютерные системы сбора, хранения, обработки и отображения пространственно-координированных данных, которые интегрируют разнородную информацию, поступающую из различных источников на основе пространственного положения, в результате чего появляется возможность сопоставлять разнообразные факторы среды и проводить комплексную геоэкологическую оценку территории (Сербенюк, 1990; Берлянт, 1996; Жуков, Лазарев, Новаковский, 1995).

По материалам ГИС-Ассоциации в России экологические ГИС региональных и локальных уровней обычно применяют для решения какой-либо одной узкой задачи (отображение деградации флоры или фауны, моделирование влияния и распространения отдельных видов химических загрязнений, проведение мониторинга по конкретному параметру). Более приближёнными к комплексному анализу территории являются ГИС ООПТ различных уровней, но подобных работ единицы и общего подхода для них не разработано (Материалы., 2002, Проблемы.,2002). Большей частью региональные ГИС используются для решения экономических и социальных задач.

Основываясь на необходимости создания региональных ГИС на территории РФ. в Калужской области реализуется областная целевая программа «Создание географической информационной системы Калужской области» для совершенствования систем учёта, оценки и потенциалов экономического развития области, в том числе использования и охраны природных ресурсов. В конце лета текущего года создан ГИС-центр в городе Калуге. ГИС Калужской области и города Калуги обязательно должны включать экологическую составляющую для рационального и эффективного управления социально-экономическим развитием области и города. При этом данные, которые наполняют блок «Экология» должны быть максимально достоверны, и получены от специалистов в конкретной области знаний в результате проведения специальных исследований. Необходимость проведения данной работы заключается в том, чтобы проанализировать и обосновать особенности и преимущества использования технологий ГИС в экологических исследованиях и включение результатов этих исследований в единое информационное пространство для формирования как можно более полной оценки состояния территории Калужской области и города Калуги. Только на основе таких оценок возможно эффективное и рациональное управление качеством окружающей среды.

Цель и задачи исследования. Основная цель работы -изучение особенностей применения ГИС-технологий для региональных и локальных экологических исследований различной тематики на территории Калужской области. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1) Провести анализ использования ГИС-технологий и существующих методик обработки и представления экологической информации в экологических исследованиях на локальном и региональном уровнях.

2) Создать слой квартальной застройки города Калуги как необходимую основу для геокодирования данных экологических исследований.

3) Изучить особенности ведения биологических кадастров с применением ГИС-технологий на примере создания БД и связанных электронных карт по распространению редких и исчезающих видов живых организмов, занесённых в Красную книгу Калужской области и по распространению древесных и кустарниковых растений на улицах города Калуги.

4) Проанализировать возможности одновременного совместного использования картографических слоев, характеризующих распространение отдельных редких и исчезающих видов грибов, растений и животных для оценки территорий Калужской области в среде ГИС.

5) Проанализировать возможности использования картографического слоя и связанной БД описывающих распространение и характеристики древесных и кустарниковых растений на улицах города Калуги для целей управления работ по озеленению в среде ГИС.

6) На основе внедрённых в среду ГИС данных биоиндикационных исследований провести картографический анализ основных тенденций в пространственной и временной динамике распределения показателя стабильности развития живых организмов на территориях города Калуги и Калужской области.

7) Выявить и проанализировать возможности использования ГИС-технологий как инструмента для проведения сравнительного анализа разнородных экологических характеристик в пределах изучаемой территории и возможности применения результатов комплексного анализа экологической информации в ГИС для принятия решений в области управления качеством окружающей среды.

Научная новизна работы. Впервые создан целостный блок ГИС («Красная книга Калужской области»), включающий электронные карты и связанные БД по распространению редких и исчезающих видов грибов, растений и животных на территории Калужской области.

Впервые в среде ГИС использована БД, включающая специфические биологические характеристики древесных и кустарниковых растений на улицах города по данным натурных исследований специалистов-биологов и создана связанная карта месторасположений объектов кадастра.

Получены новые данные о пространственно-временной динамике качества окружающей среды Калужской области по стабильности развития живых организмов в период 2000-2006 годы. Эти данные подтверждают выявленные ранее общие тенденции динамики качества среды, определяемого системой биомониторинга области.

Впервые проведён сравнительный площадной анализ качества окружающей среды по показателю стабильности развития древесных растений и по распределению показателя состояния древесных и кустарниковых растений на территории Ленинского округа города Калуги.

Впервые проведён сравнительный площадной анализ качества окружающей среды по показателю стабильности развития берёзы повислой и по распределению редких и исчезающих видов грибов, растений и животных на территории Калужской области.

Практическая значимость работы. Слой квартальной застройки используется как основа для поадресной привязки в проведении целого ряда экологических исследований на территории города Калуги: медико-экологическое картографирование, кадастр зелёных насаждений на улицах города Калуги, биоиндикационные исследования и другие.

Картографическое представление и связанные БД кадастра древесных и кустарниковых растений улиц города Калуги используются в управлении работами по озеленению города с минимальными экономическими затратами и максимальной научной обоснованностью. Представление данных в ГИС так же позволяет вести мониторинг численности и состояния объектов озеленения с оперативным отображением информации. Данные используются в Управлении хозяйством управы города Калуги, Комитетом по охране окружающей среды и природным ресурсам, Калужской городской Думой.

Блок электронных карт и БД «Красная книга Калужской области» используется в практике деятельности государственной экологической экспертизы и при оценке воздействия планируемой хозяйственной деятельности на территории Калужской области. Кроме того, эта информация благодаря ГИС-технологиям открывает новые возможности для биоэкологических исследований. позволяя интегрировать разнородную информацию. Всего создано 578 слоев (по количеству видов, занесенных в Красную книгу Калужской области) распространения редких и исчезающих видов грибов, растений и животных на территории Калужской области.

Создано более 50 электронных карт и связанных БД по результатам биоиндикационных исследований на локальном и региональном уровнях. Эти электронные карты и БД в ГИС используются в работе Лаборатории биоиндикации КГПУ им. К.Э.Циолковского, Калужского городского комитета по охране окружающей среды, Центра экологической политики России, а так же при проведении школьного биомониторинга разного масштаба.

Отдельные исследования были поддержаны грантами Центра Исследования Международного Развития IDRC (Канада) № 10051805-154 и РГНФ.

Разработанные алгоритмы и методики создания тематических электронных карт и БД и использования ГИС-технологий в экологических исследованиях могут быть рекомендованы как типовые при аналогичных исследованиях как на территориях города Калуги и Калужской области, так и в других городах и субъектах Российской Федерации.

Заложена основа комплексного экологического анализа посредством ГИС-технологий на территориях города Калуги и Калужской области.

Апробация работы. Основные положения представляемой диссертационной работы и результаты отдельных научных исследований были представлены на: межрегиональной научно-практической конференции «Река Ока - третье тысячелетие» (Калуга, 2001), региональной студенческой научной конференции «Применение кибернетических методов в решении проблем общества XXI века» (Обнинск, 2003), международной научно-практической конференции «Эколого-биологические проблемы водоемов бассейна реки Днепр» (Украина, Новая Каховка, 2004), региональной научной конференции «Техногенные системы и экологический риск» (Обнинск, 2005), XII Всероссийской конференции «Муниципальные геоинформационные системы» (Обнинск, 2005) международной молодежной конференции («TUNZA, Дубна +2») «Молодежь за безопасную окружающую среду для устойчивого развития» (г. Дубна, Московская область, 2005 г.), конференция с международным участием «Экология человека» (Архангельск, 2004 г.)

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит список литературы из 155 наименований на русском и английском языках. Объём диссертации составляет 159 страниц машинописного текста, включающих 48 рисунков и 6 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Смирницкая, Наталья Николаевна

1. На современном этапе развития ГИС необходимо создание новых методик и внедрение достоверных результатов экологических исследований в блоки экологической информации локальных и региональных ГИС.

2. Созданный слой квартальной застройки является необходимой основой для объединения данных всех экологических исследований в городе Калуге, как наиболее приближённый к математической основе, и является визуальным отображением пространства города.

3. Созданные в ГИС биологические кадастры регионального и муниципального уровней открывают новые возможности для эффективного и экономичного использования данных - создания тематических электронных карт как по отдельным параметрам, так и для комплексного сравнения первичной информации.

4. Совместное использование созданных 578 картографических слоев распространения редких и исчезающих видов грибов, растений и животных, занесённых в «Красную книгу Калужской области» в среде ГИС позволяет оценивать не только характеристики состояния отдельных видов и их групп, но и судить о состоянии территории анализируемых участков по плотности заселения редкими видами живых организмов.

5. Входящие в блок «Экология» Калужской городской ГИС картографический слой и связанная БД характеризующие распространение и состояние древесных и кустарниковых растений на улицах города Калуги позволяет оценивать зелёные насаждения города по 6 параметрам (вид, высота, окружность, возраст, состояние, рекомендации специалистов), что значительно сокращает материальные и временные затраты по рациональному управлению работ по озеленению.

6. Сравнительный картографический анализ данных исследований по распределению показателей состояния древесных и кустарниковых растений и по показателю стабильности развития древесных растений на территории Ленинского округа города Калуга за 2004 год, и данных оценки качества окружающей среды по коэффициенту стабильности развития берёзы повислой на территории Калужской области за 1997-2005 годы, показал, что ГИС-технологии являются оптимальным инструментом для изучения динамики анализируемых параметров. Выявлено совпадение в пространственном распределении показателей комфортности окружающей среды для произрастания и существования растительных организмов по состоянию объектов озеленения и по стабильности развития древесных растений. Выявлена многолетняя тенденция усреднения значений коэффициента флуктуирующей асимметрии и сохранения основных контуров благоприятного и неблагоприятного качества окружающей среды на территории Калужской области.

7. Комплексные исследования территории Калужской области (включающие в себя сравнение качества среды по разным параметрам - стабильность развития березы, гидробиологической индикации, линейной нагрузке, распространению редких и исчезающих видов животных, растений и грибов) показывают, что ГИС-технологии позволяют приблизиться к геосистемной оценке анализируемой территории, благодаря одной из главных функций ГИС - объединению разнородной информации на основе пространственной локализации.

8. Результаты комплексного анализа экологической информации в ГИС (электронные карты по нескольким параметрам, сравнительные карты динамики экологических процессов) являются готовой основой для принятия решений в области управления качеством окружающей среды.