ПРИМЕНЕНИЕ ГИС В ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

ПРИМЕНЕНИЕ ГИС В ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

М.З. Умарова, У.Т. Гайрабеков, М.Т. Гайрабекова

В работе рассматриваются роль и значимость геоинформационных систем и технологий при проведении геоэкологических исследований как мощного многофункционального средства картографирования и анализа, приводится подтверждение необходимости их использования на современном этапе развития науки в данной области.

The paper considers the role and importance of geoinformation systems and technologies during geoecological studies as a powerful multi-functional means of mapping and analysis, provides confirmation of the need for their use at the present stage of development of a science in this field.

Предмет исследования геоэкологии – последствия воздействия хозяйственной деятельности на геосистемы и реакция последних на эти воздействия. В англоязычной литературе подобную проблематику принято относить к большой экологии (Ю. Одум) или наукам об окружающей среде (environmental science). [2]

Основной целью геоэкологических исследований является оценка состояния природной среды и прогноз негативных последствий ее техногенного изменения. Геоэкологические исследования проводятся в рамках работ по организации и реализации программ геоэкологического мониторинга. Под геоэкологическим мониторингом понимается наблюдение и контроль за изменением состояния окружающей среды под влиянием деятельности человека, предупреждение о неблагоприятных для жизни, здоровья и производственной деятельности людей последствий, вызванных этими изменениями.

Для получения необходимой геоэкологической информации применяются разнообразные методы  исследований, которые позволяют вскрыть те или иные особенности объекта, его отдельные стороны или закономерности.  Методы геоэкологических исследований находятся в тесной взаимосвязи, образуя своеобразную систему методов. Вместе с тем утвержденной классификации методов геоэкологических исследований не существует.

К важнейшим методам геоэкологического анализа следует отнести: методы пространственного анализа – картографический, графо-аналитический; методы субстратно-функционального анализа – геофизический, геохимический, биоценологический; методы временного анализа – аналогий, эргодический. Геоинформатика, представляющая синтез картографии и информатики, располагает возможностями как субстратно-функционального, так и пространственно-временного анализа геосистем. Поэтому ГИС-технологии как нельзя лучше отвечают сущности геоэкологических исследований. [2]

Под ГИС-технологиями в настоящее время понимают ком­плекс методов и подходов, основанных на точном географиче­ском позиционировании различных объектов и данных любого типа на участке земной поверхности. [4].

Современные  ГИС представляют собой сложные и многофункциональные инструменты для работы с географическими данными, которые призваны выполнять пять основных процедур с данными: ввод (оцифровка), манипулирование (смена масштаба, картографической проекции и т.д.), управление (СУБД), запрос и анализ (простые и сложные запросы и выборки), визуализацию карт, которая может сопровождаться отчетными документами, трехмерными изображениями, графиками, таблицами, диаграммами, фотографиями и другими средствами, например, мультимедийными.

Современные геоэкологические исследования невозможны без использования геоинформационных систем,  так как  информация в сферах геоэкологии и природопользования имеет географическую привязку и, следовательно, специалист в этих областях вынужден применять в своей работе геоинформационные системы как для визуализации данных, т.е. создания электронных карт, так и выполнения различных видов пространственного анализа данных, хранения первичной информации, проведения экспертиз и подготовки принятия управленческих решений. Кроме того, геоинформационные системы могут включать в себя информационно-измерительные блоки. В этом случае возможна визуализация результатов постоянного мониторинга окружающей среды в режиме реального времени. Также геоинформационные системы могут служить источниками данных для компьютерных моделей распространения загрязняющих веществ в окружающей среде и моделей функционирования экологических систем, результаты которых также могут представляться на электронных картах.

ГИС-технологии, сочетающие в себе непосредственно географические информационные систе­мы и методы дистанционного зондирования земной поверхности, широко применяются при изучении и анализе природных экосистем.

Так, с помощью ГИС специалисты могут оперативно спрогнозировать возможные места разрывов трубопровода, 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 и многое другое.

ГИС-технологии объединяют в себе операции разного типа, как запрос и статистический анализ результатов ис­следований, включая элементы многомерной статистики, с пре­имуществами полноценного пространственного анализа, расчета площадей и периметров, протяженности любых линейных объек­тов и т. п.

ГИС-технологии включают информацию о разнообраз­ных пространственных объектах в общий массив информации, доступной для прямой обработки различными статистическими методами. Кроме этого, геопозиционирование, или точная при­вязка любого типа данных к пространственным координатам, предопределяет точное соответствие массива топографических и аэрокосмических данных результатам полевых исследований и открывает широкие возможности для дистанционного изучения земной поверхности.

Особую значимость в настоящее время имеют результаты анали­за космических снимков зарубежных и российских спутников. (рис. 1).

Рис. 1. Мониторинг восстановления растительности  на участке нарушенных и загрязненных нефтью земель в результате аварии скважины (Terra_presentation_rus2. www.gisa.ru)

 Отмеченные возможности отличают ГИС от других информационных систем и обеспечивают уникальные возможности для ее применения при решении широкого спектра задач, в том числе и экологических, связанных с изучением, ана­лизом и прогнозом явлений и событий окружающего мира.

Космическая информация в сегодняшнем мире становится все более разнообразной и точной, а возможность ее получения и об­новления все более легкой и доступной. Десятки орбитальных систем передают высокоточные космические снимки любой тер­ритории нашей планеты. Их относи­тельная доступность для потребителя (оперативный поиск, заказ и получение по системе Интернет), проведение съемок любой территории по заказу потребителя, возможность последующей обработки и анализа космических снимков, интегрированностъ с ГИС превращают систему ГИС-ДЗЗ в новое мощное средство географического и экологического анализа. Специаль­ные компьютерные средства позволяют проводить аналитиче­скую обработку данных, а в более сложных случаях – моделиро­вание реальных событий. Результаты обработки также можно увидеть на экране компьютера. [3]

В области геоэкологии ГИС обладают широкими возможностями, например с помощью ГИС можно построить карту антропогенной нагрузки для определенной территории; проследить динамику распространения тяжелых металлов в определенной местности; оценить геохимическую активность тяжелых металлов; определить насыщенность почвенно-поглощающего комплекса почв на территории промышленного узла; составить прогнозную карту электромагнитного воздействия; построение карты среднегодового модуля потери почвы и т.д.

Во многих случаях при геоэкологическом анализе любой территории появляется  необходимость привлекать информацию о поверхностном стоке и рельефе территории. Получить информацию о рельефе позволяют цифровые модели рельефа (ЦМР), использование которых обеспечивает расчет разнообразных «частных характеристик» рельефа, таких как, экспозиция и форма склонов, значение углов наклона (крутизна ската, крутизна склона).  Классическим примером решения задачи, предполагающей расчет углов наклона, является оценка эрозионной опасности, рассматриваемой как функция набора геолого-геоморфологических, почвенных и климатических параметров, а также характеристика использования земель с помощью универсального уравнения эрозии. [1].

В этой связи, частным примером использования ГИС может служить задача построения карты среднегодового модуля потери почвы для определения почвозащитных мероприятий, которые нужно использовать для уменьшения среднегодовой потери почвы на территории пашни до допустимых (2 т/га).

Для решения задачи необходимо построить карту распределения пространственной дифференциации среднегодового модуля потери почвы, используя универсальное  уравнение эрозии: W=0,224 RKLSCP, где W – среднегодовой модуль потери почвы (кг/м²); R – фактор эродирующей способности дождя; K – фактор эродируемости почвы; LS – фактор рельефа, причем L – фактор длин склона, S – фактор уклона; C – фактор севооборота; P – фактор почвозащитных мероприятий.

Для получения вышеперечисленных факторов создаются векторные слои: почвенные контура, пашня, – в атрибутивные таблицы которых заносятся коэффициенты соответствующих показателей эрозионных факторов. (рис. 2)

Рис.2. Исходные векторные слои и атрибутивные таблицы

Для выполнения расчетов векторные слои, содержащие коэффициенты, конвертируются в растр. (рис. 3).

Рис. 3. Слой «пашня» конвертированный в растр

Создается карта уклонов в градусах и GRID-модель направления стока (рис. 4)

Рис. 4. GRID направления стока и накопление потока

С помощью калькулятора растра определяется пространственная дифференциация фактора рельефа, затем получают произведение полученных растров, результатом которого выступает растр, на котором видны участки с допустимым и недопустимым среднегодовым модулем смыва. (рис. 5). Допустимой нормой смыва для данной территории является 2 т/га.

Рис. 5. Растр среднегодового модуля смыва

Полученный результат показывает, что выполнение всех шагов при решении данной задачи доведено до автоматизма, благодаря возможностям программных пакетов ГИС, что в лишний раз доказывает незаменимость ГИС-технологий в решении подобных задач.

Одной из самых распространенных функций ГИС-анализа является построение буферов. Она настолько универсальна, что находит применение при решении весьма  разнообразных практических задач, в том числе и экологических.

На карте (рис.6) рассматривается территория района с множеством небольших населенных пунктов, подверженная шумовому загрязнению от аэропорта, находящегося  на территории района. С целью оценки степени негативного влияния шума, проведены измерения уровня шума и с помощью ГИС созданы контур повышенного шума, равного 65 дБ, затем созданы контура шума 90 дБ и 30 дБ.

Рис. 6. Буферные зоны, включающие территории с различным уровнем шумового воздействия

Возможности компьютерного моделирования средствами ГИС широко используются и при геохимических исследованиях и картографировании. Простейшим типом эколого-геохимических карт являются одноэлементные карты, которые отражают содержание одного показателя. (рис. 7, 8)

Рис.7. Точечный слой опробования почвы с атрибутивной таблицей

Рис. 8. Карты содержания элементов Сu, Zn.

Но концентрации одного соединения не могут отразить общей картины загрязнения, и поэтому рассчитывают различные комплексные показатели, например суммарный показатель концентрации, отражающий сумму превышений концентраций химических  элементов или их соединений над их фоновыми значениями. И здесь на помощь приходят геоинформационные технологии, позволяющие произвести автоматический  расчет самого показателя и построить карту результатов расчета. Такая карта может стать более информативной, если совместить ее с ландшафтной картой исследуемой территории, что дает возможность выявить наиболее загрязненные участки, а также очаги воздействия.

Таким образом, учитывая опыт последних десятилетий, полученные конкретные результаты, а также тот факт, что геоинформационное картографирование практически вытеснило «бумажное», а карта является наиболее оптимальным и наглядным средством представления конечных результатов геоэкологических исследований можно смело говорить о целесообразности и эффективности  использования геоинформационных технологий  в геэкологических исследованиях.  Применение ГИС-технологий помогают ускорить процесс обработки информации практически во всех отраслях науки и хозяйства, связанных с использованием географических данных. Также необходимо отметить, что изучение ГИС должно стать неотъемлемой частью подготовки специалистов в области, как географии, так и экологии.

Список использованной литературы:

1.      Капралов Е.Г., Кошкарев А.В., Тикунов В.С. и др. Основы геоинформатики. Учебное пособие. Книга 1. Москва, Академия, 2004

2.      Макаров В.З., Пролеткин И.В., Чумаченко А.Н. Геоэкология и геоинформатика взаимодействие на современном этапе // Актуальные проблемы геоэкологии и геоинформатики. Тез. докл. науч. конф., Москва, 30-31 января. 1996,-С.20-21.

3.      Пасхин Е.Н., Перчук Е.Е. Информационные технологии в экологической сфере. Москва. Издательство Рагс, 2006.

4.      Трифонова Т.А., Мищенко Н.В., Краснощекое А.И. Геоинформаци­онные системы и дистанционное зондирование в экологических исследо­ваниях. М., 2005.