В ходе экологического наблюдения (мониторинга) осуществляют сбор и совместную обработку данных, относящихся к различным природным средам, моделирование и анализ экологических процессов и тенденций их развития, а также использование данных при принятии решений по управлению качеством окружающей среды. Результат экологического исследования представляет оперативные данные трех типов: констатирующие (измеренные параметры состояния экологической обстановки в момент обследования), оценочные (результаты обработки измерений и получение на этой основе оценок экологической ситуации), прогнозные (прогнозирующие развитие обстановки на заданный период времени). Совокупность перечисленных типов данных составляет основу экологического мониторинга. Особенностью представления данных в системах экологического мониторинга является то, что на экологических картах в большей степени представлены ареальные геообъекты, чем линейные.

В экологических ГИС применяются в первую очередь динамические модели, в которых большую роль играют технологии создания электронных карт.

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

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

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

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

Например, объектами мониторинга города являются атмосферный воздух, поверхностные и подземные воды, почва, зеленые насаждения, радиационная обстановка, среда обитания и состояние здоровья населения.

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

Главная задача городского экомониторинга - получение комплексной оценки экологической ситуации в городе на базе интеграции всех видов данных, поступающих от различных организаций. Интеграционной основой множества данных является карта. Следовательно, решение задач экомониторинга города неизбежно приводит к применению ГИС. Для этого объединяют существующие сети различных измерений и специализированные мониторинги природоохранных служб. Создание системы основано на внедрении современных средств контроля на базе единого информационного пространства.

Геоинформационные системы являются оптимальным средством для представления и анализа пространственно-распределенных экологических данных, т.к. они могут обеспечить эффективное использование накапливаемых данных, комплексную их обработку и совершенные методы моделирования и представления. Структура такой системы может включать два уровня.

Нижний уровень системы экомониторинга:

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

§ территориальные центры сбора и обработки данных.

Эти подсистемы обеспечивают сбор полной и по возможности качественной информации о состоянии окружающей среды на всей территории города. В локальных центрах проводится также анализ информации и ее отбор для передачи на верхний уровень. Территориальные центры обеспечивают сбор информации по источникам антропогенного загрязнения на территории административных округов.

Верхний уровень системы экомониторинга составляет информационно-аналитический центр, в задачи которого входят:

§ оперативная оценка экологической ситуации в городе;

§ расчет интегральных оценок экологической ситуации;

§ прогноз развития экологической обстановки;

§ подготовка проектов управляющих воздействий и оценка последствий принимаемых решений.

Интеграция данных в единую систему происходит двумя путями:

1. на основе конвертирования форматов данных в единый для всей системы формат;

2. на основе выбора единого программного обеспечения ГИС.

Кроме ведения баз данных возможно моделирование и получение тематических карт. В системе может производиться расчет платежей за использование природных ресурсов, расчет полей концентрации загрязняющих веществ в атмосфере, воде, почве.

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

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

• 1. информационное;
• 2. управленческое.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Технология создания геоинформационных систем

Набор современных программных продуктов для ГИС-картографирования весьма разнообразен.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Системы анализа данных и построение прогностических моделей

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

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

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

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

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

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

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

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

Специфические особенности ГИС для заповедников

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

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

экологический мониторинг географическая информационная

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

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

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

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

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

История ГИС

Хотя геоинформационные системы явление
относительно новое, его историю можно разделить
на четыре основных этапа:

Этапы развития ГИС

1950е –
1970е гг.
Начальный период
Запуск первого искусственного спутника Земли
Появление электронных вычислительных машин
(ЭВМ) в 50-х годах.
Появление цифрователей, плоттеров,
графических дисплеев и других периферийных
устройств в 60-х.
Создание программных алгоритмов и процедур
графического отображения информации на
дисплеях и с помощью плоттеров.
Создание формальных методов
пространственного анализа.
Создание программных средств управления
базами данных.

Этапы развития ГИС

1970е –
1980е гг.
Период государственных инициатив
Государственная поддержка ГИС
стимулировала развитие
экспериментальных работ в области ГИС,
основанных на использовании баз
данных по уличным сетям:
Автоматизированные системы
навигации.
Системы вывоза городских отходов и
мусора.
Движение транспортных средств в
чрезвычайных ситуациях и т. д.

Этапы развития ГИС

1980е –
настоящее
время
Период коммерческого развития
Широкий рынок разнообразных программных
средств, развитие настольных ГИС,
расширение области их применения за счет
интеграции с базами непространственных
данных, появление сетевых приложений,
появление значительного числа
непрофессиональных пользователей, системы,
поддерживающие индивидуальные наборы
данных на отдельных компьютерах, открывают
путь системам, поддерживающим
корпоративные и распределенные базы
геоданных.

Этапы развития ГИС

1980е –
настоящее
время
Пользовательский период
Повышенная конкуренция среди коммерческих
производителей геоинформационных технологий услуг
дает преимущества пользователям ГИС, доступность и
«открытость» программных средств позволяет
использовать и даже модифицировать программы,
появление пользовательских «клубов»,
телеконференций, территориально разобщенных, но
связанных единой тематикой пользовательских групп,
возросшая потребность в геоданных, начало
формирования мировой геоинформационной
инфраструктуры. Морфометрический анализ рельефа на
основе ГИС-технологий новое направление в этой
области

Разделение ГИС

1)По территориальному охвату:
- Глобальные (планетарные) ГИС;
- Субконтинетальные ГИС;
- Национальные ГИС;
- Региональные ГИС;
- Субрегиональные ГИС;
- Локальные(местные) ГИС;

2)По предметной области
информационного моделирования:
- Городские ГИС;
- Муниципальные ГИС(МГИС);
- Природоохранные ГИС;

Классификация ГИС - ресурсов

Пользовательские ГИС (ArcGIS, Mapinfo, QGIS, gvSIG)
Пользовательские ГИС интегрированные с
виртуальными глобусами(расширение для ArcGIS
разработанное Brian Flood и позволяющее
интегрировать его с Virtual Earth
Виртуальные глобусы (Google Maps, Google Earth,
Virtual Earth, ArcGIS Explorer)
Картографические веб-сервера (MapServer, GeoServer,
OpenLayers и др.)

Примеры ГИС-ресурсов

Сферы приложения ГИС
- Экология и природопользование
- Земельный кадастр и землеустройство
- Управление городским хозяйством
- Региональное планирование
- Демография и исследование трудовых
ресурсов
- Управление дорожным движением
- Оперативное управление и планирование в
чрезвычайных ситуациях
- Социология и политология

Примеры ГИС – ресурсов

ГИС в экологии и природопользовании
- Состояние воздуха

- Расположение водных объектов на территории г. Москвы

- Состояние подземных вод

- Экологическая карта биоразнообразия г. Москвы: расселение
пресмыкающихся

ArcInfo (ESRI, США) (векторная топологическая модель)
ArcView (ESRI , США) (векторная нетопологическая
модель)
ERDAS Imagine (ERDAS, Inc. , США) (растровая модель)
MapInfo Profiessional (MapInfo , США) (векторная
нетопологическая модель)
MicroStation (Bentley System, Inc. , США) (3D)
ER Mapper (ER Mapping , Австралия) (растровая модель)
WinGis (Progis, Австрия) (векторная нетопологическая
модель)

AutoCAD Map (Autodesk, Inc. США)
AutoCAD Land Development Desktop
(землеустройство и землепользование)
Autodesk Civil Design (гражданское строительство)
Autodesk Survey (обработка геодезических данных)
Autodesk Map Guide (Web)

Рассматривая город как целостную систему, можно выделить факторы,
влияющие на экологическую безопасность населения: это загрязнение
атмосферы, почвы, водоемов предприятиями и транспортом, низкое качество
питьевой воды, несоответствие продуктов питания необходимым нормам.
Однако если для потребления питьевой воды и продуктов питания все же
существует контроль и управление качеством, то состояние окружающей
среды в современных городах продолжает ухудшаться из-за огромного
количества техногенной нагрузки.

ЭкоГИС

Это компонент ЭПК РОСА,
реализующий возможности
экологической геоинформационной
системы (ГИС). ЭкоГИС объединяет
мощный графический модуль, базу
данных и специальные средства
автоматизации проектирования.
Экологическая ГИС позволяет
использовать современные
инструменты для работы с картами,
планами, схемами, что существенно
облегчает и ускоряет процесс
проектирования как для крупных,
так и для небольших организаций.

ЭПК РОСА - графический модуль - карта-схема и проектные
данные

Фрагмент карты города - топооснова для построения экологической
карты

Сканированная карта-схема предприятия с привязкой по координатам

Векторная карта-схема предприятия после оцифровки

СИСТЕМА МЕДИКО-ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ОС
«МЭМОС» на базе геоинформационных технологий (ГИС).
Цель проекта: на основе
постоянно собираемой
информации о факторах среды и
здоровья, разработка и внедрение
комплексной системы
представления, анализа и прогноза
данных окружающей среды и
здоровья населения. Цель
реализуется посредством решения
нижеперечисленных задач.

Задачи МЭМОС:
формирование экологического и социально-гигиенического мониторинга
(организация сбора и хранения данных);
обоснование выбора ведущих (определяющих) факторов влияния на здоровье
населения тех или иных территорий;
прогнозирование во времени и в пространстве состояния окружающей среды;
прогнозирование во времени и в пространстве состояния здоровья населения на
перспективу;
расчет риска здоровью населения от ведущих факторов воздействия среды;
построение организационно-методической и правовой систем управления
здоровьем населения;
формирование экономических механизмов поддержания устойчивого развития
региона на основе медико-экологического благополучия
представление лицам, принимающим решения, результатов мониторинга через
веб-интерфейсы в Интернет

Система МЭМОС имеет ряд существенных преимуществ. Она дает
возможность лицам, принимающим решения:
оценить величину затрат на улучшение экологической обстановки вокруг
промышленного объекта;
оценить величину затрат на здравоохранение, связанных с отрицательным
воздействием на здоровье конкретного фактора окружающей среды;
выполнить прогноз государственных затрат на здравоохранение, связанных с
воздействием одного или нескольких факторов окружающей среды;
обосновать материальный иск граждан на ущерб здоровью, связанный с вредным
воздействием факторов среды обитания;
в рамках существующей правовой системы создать возможности экономической
защиты граждан в связи с влиянием окружающей среды.

Заключение

ГИС-технологии – это не просто
компьютерная база данных. Это огромные
возможности для анализа, планирования и
регулярного обновления информации. ГИСтехнологии сегодня находят применение
практически во всех сферах жизни, и это
помогает действительно эффективно решать
многие задачи. В частности задачи свзяанные
с экологической безопасностью в городской
среде.

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.