Использование гис в экологии. Современные геоинформационные системы для решения экологических задач

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.

Экологические проблемы часто требуют незамедлительных и адекватных действий, эффективность которых напрямую связана с оперативностью обработки и представления информации. При комплексном подходе, характерном для экологии, обычно приходится опираться на обобщающие характеристики окружающей среды, вследствие чего, объемы даже минимально достаточной исходной информации, несомненно, должны быть большими. В противном случае обоснованность действий и решений вряд ли может быть достигнута. Однако простого накопления данных тоже, к сожалению, недостаточно. Эти данные должны быть легко доступны, систематизированы в соответствии с потребностями. Хорошо, если есть возможность связать разнородные данные друг с другом, сравнить, проанализировать, просто просмотреть их в удобном и наглядном виде, например, создав на их основе необходимую таблицу, схему, чертеж, карту, диаграмму. Группировка данных в нужном виде, их надлежащее изображение, сопоставление и анализ целиком зависят от квалификации и эрудированности исследователя, выбранного им подхода интерпретации накопленной информации. На этапе обработки и анализа собранных данных существенное, но отнюдь не первое, место занимает техническая оснащенность исследователя, включающая подходящие для решения поставленной задачи аппаратные средства и программное обеспечение. В качестве последнего во всем мире все чаще применяется современная мощная технология географических информационных систем.

ГИС имеет определенные характеристики, которые с полным правом позволяют считать эту технологию основной для целей обработки и управления информацией. Средства ГИС намного превосходят возможности обычных картографических систем, хотя естественно, включают все основные функции получения высококачественных карт и планов. В самой концепции ГИС заложены всесторонние возможности сбора, интеграции и анализа любых распределенных в пространстве или привязанных к конкретному месту данных. Если необходимо визуализировать имеющуюся информацию в виде карты, графика или диаграммы, создать, дополнить или видоизменить базу данных, интегрировать ее с другими базами - единственно верным путем будет обращение к ГИС. В традиционном представлении возможные пределы интеграции разнородных данных искусственно ограничиваются. Близким к идеалу считают, например, возможность создания карты урожайности полей путем объединения данных о почвах, климате и растительности. ГИС позволяет пойти значительно дальше. К вышеприведенному набору данных можно добавить демографическую информацию, сведения о земельной собственности, благосостоянии и доходах населения, объемах капитальных вложений и инвестиций, зонировании территории, состоянии хлебного рынка и т.д. В результате появляется возможность напрямую определить эффективность запланированных или проводящихся мероприятий по сохранению природы, их влияние на жизнь людей и экономику сельского хозяйства. Можно пойти еще дальше и, добавив данные о распространении заболеваний и эпидемий, установить, есть ли взаимосвязь между темпами деградации природы и здоровьем людей, определить возможность возникновения и распространения новых заболеваний. В конечном счете, удается достаточно точно оценить все социально-экономические аспекты любого процесса, например, сокращения площади лесных угодий или деградации почв.

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.

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.

Землевладение. ГИС широко применяются для составления и ведения разнообразных, в том числе земельных, кадастров. С их помощью удобно создавать базы данных и карты по земельной собственности, объединять их с базами данных по любым природным и социально-экономическим показателям, накладывать соответствующие карты друг на друга и создавать комплексные (например, ресурсные) карты, строить графики и разного вида диаграммы. геоинформационная мониторинг загрязнение картография

Охраняемые территории. Еще одна распространенная сфера применения ГИС - сбор и управление данными по охраняемым территориям, таким как заказники, заповедники и национальные парки. В пределах охраняемых районов можно проводить полноценный пространственный мониторинг растительных сообществ ценных и редких видов животных, определять влияние антропогенных вмешательств, таких как туризм, прокладка дорог или ЛЭП, планировать и доводить до реализации природоохранные мероприятия. Возможно выполнение и многопользовательских задач, таких как регулирование выпаса скота и прогнозирование продуктивности земельных угодий. Такие задачи ГИС решает на научной основе, то есть выбираются решения, обеспечивающие минимальный уровень воздействия на дикую природу, сохранение на требуемом уровне чистоты воздуха, водных объектов и почв, особенно в часто посещаемых туристами районах.

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 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.

Восстановление среды обитания. ГИС является эффективным средством для изучения среды обитания в целом, отдельных видов растительного и животного мира в пространственном и временном аспектах. Если установлены конкретные параметры окружающей среды, необходимые, например, для существования какого-либо вида животных, включая наличие пастбищ и мест для размножения, соответствующие типы и запасы кормовых ресурсов, источники воды, требования к чистоте природной среды, то ГИС поможет быстро подыскать районы с подходящей комбинацией параметров, в пределах которых условия существования или восстановления численности данного вида будут близки к оптимальным. На стадии адаптации переселенного вида к новой местности ГИС эффективна для мониторинга ближайших и отдаленных последствий предпринятых мероприятий, оценки их успешности, выявления проблем и поиска путей по их преодолению.

Экологическое образование. Поскольку создание бумажных карт с помощью ГИС значительно упрощается и удешевляется, появляется возможность получения большого количества разнообразных природных 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 в 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.

геоинформационная технология экология природопользование

Географические информационные системы (ГИС) появились в 60-х годах XX века как инструменты для отображения географии Земли и расположенных на ее поверхности объектов. Сейчас ГИС представляют собой сложные и многофункциональные инструменты для работы с данными о Земле.

Возможности, предоставляемые пользователю ГИС:

работа с картой (перемещение и масштабирование, удаление и добавление объектов);

печать в заданном виде любых объектов территории;

вывод на экран объектов определенного класса;

вывод атрибутивной информации об объекте;

обработка информации статистическими методами и отображение результатов такого анализа непосредственным наложением на карту

Так, с помощью ГИС специалисты могут оперативно спрогнозировать возможные места разрывов трубопроводы, проследить на карте пути распространения загрязнений и оценить вероятный ущерб для природной среды, вычислить объем средств, необходимых для устранения последствий аварии. С помощью ГИС можно отобрать промышленные предприятия, осуществляющие выбросы вредных веществ, отобразить розу ветров и грунтовые воды в окружающей их местности и смоделировать распространение выбросов в окружающей среде.

В 2004г. президиумом Российской академии наук было принято решение о проведении работ по программе «Электронная Земля», суть которой заключается в создании многопрофильной геоинформационной системы, характеризующей нашу планету, практически - цифровой модели Земли.

Зарубежные аналоги программы «Электронная Земля» можно подразделить на локальные (централизованные, данные хранят на одном сервере) и распределенные (данные хранятся и распространяются различными организациями на разных условиях).

Безусловным лидером в создании локальных баз данных является ESRI (Environmental Systems Research Institute, Inc., США) Сервер ArcAtlas “Our Earth” содержит более 40 тематических покрытий, которые широко используются во всем мире. Практически все картографические проекты масштаба 1:10 000 000 и более мелких масштабов создаются с его использованием.

Наиболее серьезным проектом по созданию распределенной базы данных является «Цифровая Земля» (Digital Earth). Этот проект был предложен вице-президентом США Гором в 1998г., основным исполнителем является NASA. В проекте участвуют министерства и государственные ведомства США, университеты, частные организации, Канада, Китай, Израиль и Европейский союз. Все проекты распределенных баз данных испытывают серьезные трудности в вопросах стандартизации метаданных и совместимости отдельных ГИС и проектов, созданных разными организациями с применением разного программного обеспечения.

Деятельность человека постоянно связана с накоплением информации об окружающей среде, ее отбором и хранением. Информационные системы, основное назначение которых - информационное обеспечение пользователя, то есть предоставление ему необходимых сведений по конкретной проблеме или вопросу, помогают человеку решать задачи быстрее и качественнее. При этом одни и те же данные могут использоваться при решении разных задач и наоборот. Любая информационная система предназначена для решения некоторого класса задач и включает в себя как хранилище данных, так и средства для реализации различных процедур.

Информационное обеспечение экологических исследований реализуется главным образом за счет двух информационных потоков:

информация, возникшая при проведении экологических исследований;

научно-техническая информация по мировому опыту разработки экологических проблем по различным направлениям.

Общей целью информационного обеспечения экологических исследований является изучение информационных потоков и подготовка материалов для принятия решений на всех уровнях управления в вопросах выполнения экологических исследований, обоснования отдельных научно-исследовательских работ, а также распределения финансирования.

Поскольку объектом описания и изучения является планета Земля, и экологическая информация имеет общие черты с геологической, то перспективно построение географических информационных систем для сбора, хранения и обработки фактографической и картографической информации:

о характере и степени экологических нарушений естественного и техногенного происхождения;

об общих экологических нарушениях естественного и техногенного происхождения;

об общих экологических нарушениях в определенной сфере человеческой деятельности;

о недроиспользовании;

об экономическом управлении определенной территорией.

Географические информационные системы рассчитаны, как правило, на установку и подключение большого количества автоматизированных рабочих мест, располагающих собственными базами данных и средствами вывода результатов. Экологи на автоматизированном рабочем месте на основе пространственно привязанной информации может решить задачи различного спектра:

анализ изменения окружающей среды под влиянием природных и техногенных факторов;

рациональное использование и охрана водных, земельных, атмосферных, минеральных и энергетических ресурсов;

снижение ущерба и предотвращение техногенных катастроф;

обеспечение безопасного проживания людей, охрана их здоровья.

Все потенциально экологически опасные объекты и сведения о них, о концентрации вредных веществ, допустимых нормах и т.д. сопровождаются географической, геоморфологической, ландшафтно-геохимической, гидрогеологической и другими типами информации. Рассеянность и нехватка информационных ресурсов в экологии легла в основу разработанных ИГЕМ РАН аналитических справочно-информационных систем (АСИС) по проектам в области экологии и охраны окружающей среды на территории Российской Федерации АСИС «ЭкоПро», а также разработка автоматизированной системы для Московской области, призванной осуществить ее экомониторинг. Разница задач обоих проектов обуславливается не только территориальными границами (в первом случае это территория всей страны, а во втором непосредственно Московская область), но и по областям применения информации. Система «ЭкоПро» предназначена для накопления, обработки и анализа данных об экологических проектах прикладного и исследовательского характера на территории РФ за иностранные деньги. Система мониторинга Московской области призвана служить источником информации об источниках и реальном загрязнении окружающей среды, предотвращения катастроф, экологических мероприятиях в области охраны окружающей среды, платежах предприятий на территории области в целях экономического управления и контроля со стороны государственных органов. Так как информация по природе своей обладает гибкостью, то можно сказать, что и та, и другая система, разработанная ИГЕМ РАК может использоваться как с целью проведения исследований, так и для управления. То есть задачи двух систем могут переходить одна в другую.

В качестве более частного примера базы данных, хранящей информацию по охране окружающей среды, можно привести работу О.С. Брюховецкого и И.П. Ганина «Проектирование базы данных по методам ликвидации локальных техногенных загрязнений в массивах горных пород». В ней рассматривается методология построения такой базы данных, дается характеристика оптимальных условий ее применения.

При оценке чрезвычайных ситуаций информационная подготовка занимает 30-60% времени, а информационные системы в состоянии быстро предоставить информацию и обеспечить нахождение эффективных методов урегулирования. В условиях чрезвычайной ситуации решения не могут быть смоделированы в явном виде, однако основой для их принятия может служить большой объем разнообразной информации, хранимой и передаваемой базой данных. По предоставленным результатам управленческий персонал на основе своего опыта и интуиции принимает конкретные решения.

Моделирование процессов принятия решений становится центральным направлением автоматизации деятельности лица, принимающего решения (ЛПР). К задачам ЛПР относится принятие решений в геоинформационной системе. Современную геоинформационную систему можно определить как совокупность аппаратно-программных средств, географических и семантических данных, предназначенную для получения, хранения, обработки, анализа и визуализации пространственно-распределенной информации. Экологические геоинформационные системы позволяют работать с картами различных экологических слоев и автоматически строить аномальную зону по заданному химическому элементу. Это достаточно удобно, так как эксперту-экологу не нужно в ручную рассчитывать аномальные зоны и производить их построение. Однако, для полного анализа экологической обстановки эксперту-экологу требуется распечатывать карты всех экологических слоев и карты аномальных зон для каждого химического элемента. Берштейн Л.С., Целых А.Н. Гибридная экспертная система с вычислительным модулем для прогноза экологических ситуаций. Труды международного симпозиума “Интеллектуальные системы - ИнСис - 96”, г.Москва, 1996г.В геоинформационной системе построение аномальных зон производилось для тридцати четырех химических элементов. Сначала он должен получить сводную карту загрязнения почвы химическими элементами. Для этого путем последовательного копирования на кальку со всех карт, строится карта загрязнения почвы химическими элементами Алексеенко В.А. Геохимия ландшафта и окружающая cреда. - М.:Недра, 1990. -142с.:ил.. Затем полученную карту таким же образом сопоставляют с картами гидрологии, геологии, геохимических ландшафтов, глин. На основании сопоставления строится карта качественной оценки опасности окружающей среды для человека. Таким образом осуществляется мониторинг окружающей среды. Этот процесс требует много времени и высокой квалификации эксперта, для того, чтобы точно и объективно оценить обстановку. При таком большом объеме информации, одновременно, обрушивающейся на эксперта могут возникать ошибки. Поэтому возникла необходимость в автоматизации процесса принятия решений. Для этого существующая геоинформационная система была дополнена подсистемой принятия решений. Особенностью разработанной подсистемы является то, что одна часть данных с которыми работает программа, представлена в виде карт. Другая часть данных обрабатывается и на их основе строится карта, которая затем также подлежит обработке. Для реализации системы принятия решений был избран аппарат теории нечетких множеств. Это вызвано тем, что с помощью нечетких множеств можно создавать методы и алгоритмы способные моделировать приемы принятия решений человеком в ходе решения различных задач. В качестве математической модели слабоформализованных задач выступают нечеткие алгоритмы управления, позволяющие получать решение хотя приближенные, но не худшие, чем при использовании точных методов. Под нечетким алгоритмом управлению будем понимать упорядоченную последовательность нечетких инструкций (могут иметь место и отдельные четкие инструкции), обеспечивающую функционирование некоторого объекта или процесса. Методы теории нечетких множеств позволяют, во-первых, учитывать различного рода неопределенности и неточности, вносимые субъектом и процессами управления, и формализовать словесную информацию человека о задаче; во-вторых, существенно уменьшить число исходных элементов модели процесса управления и извлечь полезную информацию для построения алгоритма управления. Сформулируем основные принципы построения нечетких алгоритмов. Нечеткие инструкции, используемые в нечетких алгоритмах, формируются или на основе обобщения опыта специалиста при решении рассматриваемой задачи, или на основе тщательного изучения и содержательного ее анализа. Для построения нечетких алгоритмов учитываются все ограничения и критерии, вытекающие из содержательного рассмотрения задачи, однако полученные нечеткие инструкции используются не все: выделяются наиболее существенные из них, исключаются возможные противоречия и устанавливается порядок их выполнения, приводящий к решению задачи. С учетом слабоформализованных задач существуют два способа получения исходных нечетких данных - непосредственный и как результат обработки четких данных. В основе обоих способов лежит необходимость субъективной оценки функций принадлежности нечетких множеств.

Логическая обработка данных проб почвы и построение сводной карты загрязнения почвы химическими элементами.

Программа являлась развитием уже существующей версии программы “ТагЭко”, дополняет существующую программу новыми функциями. Для работы новых функций необходимы данные содержащиеся в предыдущей версии программы. Этим обусловлено использование методов доступа к данным разработанных в предыдущей версии программы. Используется функция для получения информации, хранящейся в базе данных. Это необходимо для получения координат каждой точки пробы, хранящейся в базе данных. Также используется функция для расчета величины аномального содержания химического элемента в ландшафте. Таким образом через эти данные и эти функции происходит взаимодействие предыдущей программы с подсистемой принятия решений. В случае изменения в базе данных значения пробы или координат пробы это будет автоматически учитываться в подсистеме принятия решений. Необходимо отметить, что при программировании используется динамический стиль выделения памяти и данные хранятся в виде односвязных, либо двусвязных списков. Это обусловлено тем, что заранее неизвестно количество проб или количество участков поверхности на которые будет разбита карта.

Построение карты качественной оценки влияния окружающей среды на человека.

Построение карты происходит согласно алгоритму, описанному выше. Пользователь указывает интересующую его область, а также шаг с которым будет производиться анализ карт. Перед началом обработки данных производится считывание информации из WMF файлов и формирование списков, элементами которых являются указатели на полигоны. Для каждой карты составляется свой список. Затем после формирования списков полигонов производится формирование карты загрязнения почвы химическими элементами. По окончании формирования всех карт и ввода исходных данных формируются координаты точек, в которых будет производиться анализ карт. Данные, получаемые функциями опроса заносятся в специальную структуру. Завершив формирование структуры программа производит ее классификацию. Каждая точка сетки опроса получает номер эталонной ситуации. Этот номер с указанием номера точки заносится в двусвязный список, чтобы потом можно было бы построить карту графически. Специальная функция анализирует этот двусвязный список и производит графическое построение изолиний вокруг точек, имеющих одинаковые классификационные ситуации. Она считывает точку из списка и анализирует значение номера ее ситуации с номерами соседних точек, и в случае совпадения объединяет рядом расположенные точки в зоны. В результате работы программы вся территория г.

Таганрога окрашивается в один из трех цветов. Каждый цвет характеризует качественную оценку экологической обстановки в городе. Так красный цвет указывает на “особо опасные участки”, желтый на “опасные участки”, зеленый на “безопасные участки”. Таким образом информация представляется в доступной для пользователя и удобной для восприятия форме. Берштейн Л.С., Целых А.Н. Гибридная экспертная система с вычислительным модулем для прогноза экологических ситуаций. Труды международного симпозиума “Интеллектуальные системы - ИнСис - 96”, г.Москва, 1996г.

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.

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.