Экологическое картографирование городских территорий

• данные по структуре и объемам выбросов, типам и свойствам источников загрязнения, привязанных к карте;
• данные по условиям распространения загрязнения, включающие метеорологические данные, граничные условия для метеорологических полей;
• данные о рельефе и свойствах подстилающей поверхности, над которой происходит перенос загрязнения (шероховатость, альбедо и др.).

Весь процесс создания карт загрязнения  с использованием ГИС-технологий можно  разбить на несколько этапов (рис. 1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 Этапы создания карт антропогенного воздействия на окружающую среду.

 

 

 

 

2.2 Комплексное экологическое картографирование

 

Задачей комплексного экологического картографирования является одновременное  отображение географической среды (ландшафтов), в которой происходит взаимодействие и развиваются экологические  отношения между природными и  социально-экономическими системами; техногенных и антропогенных  воздействий и реакций среды  на них; экологического состояния элементов  природной среды. При этом объектом картографирования может быть как  современное, так и прошлое (в  определенный момент времени) или будущее (в рамках принимаемых сценариев  развития) состояние среды. Исключительная сложность комплексного экологического картографирования обусловлена, прежде всего, множественностью характеристик, которые требуется принимать  во внимание. Практически задача комплексного экологического картографирования  решается путем создания атласов  и серий взаимосвязанных карт экологического содержания либо составлением отдельных комплексных карт, содержание которых включает в минимально допустимом объеме все перечисленные элементы. В атласах и сериях карт преобладающая  часть объема приходится на карты, характеризующие  состояние отдельных компонентов  среды, что было рассмотрено в  предыдущих разделах. Атласное картографирование  обычно опирается на результаты комплексных  исследований (нередко проводимых специально) и позволяет глубоко и всесторонне  охарактеризовать экологическую обстановку на территории. Однако выводы из всесторонней характеристики, включающие сравнительные  оценки и обычно вызывающие наибольший общественный и практический интерес, следует представлять на отдельной  обобщающей карте. Поэтому особенности комплексного экологического картографирования наиболее полно раскрываются в создании комплексных экологических карт. В настоящее время выделяется три разновидности комплексных экологических карт:

• инвентаризационные,
• инвентаризационно-оценочные,
• комплексные оценочные.

На инвентаризационных картах показываются элементы природной среды

(природные зоны, ландшафтные районы, ландшафты) и характер их использования  (сельское и лесное хозяйство  и др.), а также источники техногенного  воздействия на них — города, предприятия, транспортные магистрали, иногда с характеристикой объемов  и структуры отходящих от них  выбросов и сбросов. На инвентаризационно-оценочных картах добавляется (нередко за счет сокращения других элементов содержания) характеристика реакции среды на техногенные воздействия на нее. Оценки носят приближенный, качественный характер и основываются главным образом на биоиндикационных данных (состояние лесов, лугов и т.п.) или, реже, на материалах опробования геокомпонентов. На комплексных оценочных картах основным элементом содержания становятся оценки экологических ситуаций, которые могут характеризовать состояние как отдельных геокомпонентов, так и среды в целом. При этом под экологической ситуацией понимается сочетание различных, в том числе позитивных и негативных, с точки зрения проживания и состояния здоровья человека, условий и факторов, создающих определенную экологическую обстановку на территории, разной степени благополучия или неблагополучия.

 

2.3 ГИС в экологическом картографировании

 

Возникшие в последнее время  экологические проблемы ставят новые  задачи перед картографией. Для их решения требуется современное  геоинформационное обеспечение, позволяющее оперативно реагировать на любые изменения в окружающей среде. Первые карты, основанные на ГИС-технологиях, начали появляться в 90-ых годах 20го века. Тогда была начата значительная работа по преобразованию аналоговой информации общегеографических, топографических и тематических карт в цифровой вид. Параллельно разрабатывались и оригинальные компьютерные карты, они создавались в геоинформационных центрах, а так же соответствующих профильных организациях и ведомствах. Именно компьютерные тематические карты являются сопровождением многих экологических исследований, программ и проектов. В последнее десятилетие прогрессирующе быстро создаются геоинформационные системы экологического содержания, в

 большинстве своем имеющие практическую ориентацию, содержащие серии взаимосогласованных карт и многоплановые базы данных, позволяющие в оперативном режиме проводить анализ экологической ситуации и способствующие принятию эффективных управляющих решений.

Экологические ГИС разрабатываются  как на административно-территориальные  единицы (регионы, крупные промышленные центры, административные районы), так  и на локальные объекты, часто  потенциально относящиеся к объектам экологического неблагополучия (горнодобывающие  и нефтегазодобывающие предприятия). Развитые ГИС включают в автоматизированные картографические системы, базы картографических данных, аналитико-моделирующие блоки. Основные особенности геоинформационного картографирования – автоматизация, системность, целенаправленность, оперативность и многовариантность. Геоинформационное картографирование – это, прежде всего, системное, серийное создание и использование карт, ориентированное на конкретные задачи управленческого характера. Структура, содержание и сюжеты карт в ГИС многоплановы, подходы к их составлению отражают используемую программную среду, целевую изученность объекта картографирования и технические возможности создателей.

Особенно применение ГИС эффективно в эколого-географическом картографировании  городов. Ведь город – это особенная  экологическая система, которая  отличается не только концентрацией  и составом загрязнений, но и большим  числом параметров, в том числе, связанных  с социальной сферой. Для этого  требуется создание комплексной  системы, как всех видов загрязнения, так и их воздействия на социум. Поэтому, для мониторинга экологического состояния городов всё чаще и  чаще используется ГИС, которая позволяет  создать динамическую систему, способную  обрабатывать большие объёмы пространственной и атрибутивной информации и представлять её в нужном, для конечного пользователя, виде. ГИС может использоваться для  разработки научно-обоснованных рекомендация по экологически ориентированному природопользованию; для определения природоохранных  мер, включая ограничение и прекращение  тех или иных воздействия на городскую  среду и

 население; для экологической  экспертизы проектов строительства  различных объектов и территориального  развития города; для принятия  решений в управленческой деятельности  городских и районных природоохранных  структур; при планировании и  реализации различных хозяйственных,  медицинских, санитарно-технических,  природоохранных мероприятий, а  также для решения научных  и учебно-воспитательных задач.

На современном этапе развития геоинформационные экологические карты представляют собой системы, которые могут использоваться как для изготовления печатных атласов, так и для создания ГИС, нацеленных на наблюдение за экологической обстановкой и своевременном предупреждении экологических проблем. Как пример можно привести Пермскую экологическую ГИС. В её рамках создано более 20 тематических слоёв, таких как состояние природной среды, загрязнение атмосферного воздуха, состояние поверхностных водоёмов, радиационная обстановка, социально-гигиенический мониторинг и медико-экологический мониторинг. Так же можно рассмотреть ГИС Саратова и Балакова, разработанных коллективом А.Н. Чумаченко, Б.А. Новаковского и В.З. Макарова.

Создание геоинформационной экологической карты проходит в несколько этапов, которые осуществляются с помощью специализированного программного обеспечения.

На первом этапе подготавливается картографическая основа. Она представляет собой набор тематических слоев, которые, во-первых, содержат исходную информацию для моделирования (расположение источников загрязнения, рельеф, ландшафт), во-вторых, отражают информацию, необходимую  для анализа результатов и  получения окончательной карты  загрязнения. На этом этапе определяются размеры области, соответствующие  поставленной задаче. Подготавливается база данных по источникам загрязнения. Производится привязка данных к карте.

Второй этап включает в себя непосредственную подготовку к моделированию. Поскольку  данные о метеорологических полях, рельефе и свойствах подстилающей поверхности представляют собой  неоднородные по пространству величины, для численного моделирования загрязнения, которое 

проводится, как правило, на некоторой  регулярной сетке, непрерывные по пространству данные такого типа приводятся к дискретному  виду. Для этого необходимая информация представляется в виде грид - тем (grid), которые получают в результате обработки исходных векторных слоев. На этом этапе подготовки данных привлекаются современные инструменты ГИС, позволяющие автоматизировать процессы трансформации и генерализации первоначальной информации на карте.

Третий, завершающий этап, включает в себя проведение расчетов по модели. Рассчитанные поля концентрации загрязняющих веществ представляются в виде гридов. На этом этапе производится окончательная обработка результатов и получение карт оценки или прогноза загрязнения. Схематически, все эти этапы можно представить в виде схемы (рис. 2).

 

Рисунок 2 Этапы создания геоинформационной экологической карты .

            Спектр применяемых программных продуктов, применяемых для экологического картографирования очень широк: ArcFM, ArcInfo, ArcView (ESRI, Inc.), MapInfo Professional (MapInfo Corp.), MicroStation (Bentley Systems, Inc.) и др /3/. По масштабам применения их можно разделить на глобальные и локальные, направленные на решение общих (многофункциональные) и частных, конкретных (однофункциональные) задач. Лидерами в области глобальных ГИС в настоящее время являются продукты двух фирм – это система ArcFM американской фирмы ESRI и MapInfo корпорации INTERGRAPH. Кроме того, многие фирмы, занимающиеся вопросами, связанными с землевладением или землепользованием создают свои прикладные ГИС.

ArcINFO — семейство программных продуктов американской компании ESRI, одного из лидеров мирового рынка геоинформационных систем. Пакет программ своё начало получил ещё на рабочих станциях, переход к использованию на IBM PC совместимых компьютерах начался с версии PC ArcInfo 3.4 . Дальнейшим развитием стал выход PC ArcView, графической оболочки для визуализации цифровых данных подготовленных с помощью ArcInfo / PC ArcInfo. К версии ArcView 3 превратился в полноценный инструмент для работы с цифровыми картами, как формата ArcInfo, так и нетопологического Shape-file. В настоящее время продукт в виде отдельной линейки продуктов не поставляется. Все продукты ESRI сведены в ArcGIS.

ArcView разработан Институтом Исследований Систем Окружающей Среды (Environmental Systems Research Institute, ESRI), изготовителем ARC/INFO – ведущего программного обеспечения для географических информационных систем (ГИС). ArcView поставляется с полезными, готовыми к использованию данными. Система может использовать данные ARC/INFO, включая векторные покрытия, библиотеки карт, гриды, изображения и событийные данные.

MicroStation - приложение для профессионального проектирования в 3D модели и создания рабочей документации.

MapInfo Professional – полнофункциональная геоинформационная система (профессиональное средство для создания, редактирования и анализа картографической и пространственной информации). Интегрируется в качестве клиента в распределенные информационные системы на базе серверов: MS SQL, Oracle, Informix, DB2, Sybase и др. Для разработки специализированных приложений используется язык программирования MapBasic. Применяется для целей земельного, лесного кадастра и кадастра недвижимости, градостроительства и архитектуры, телекоммуникации, добычи и транспортировки нефти и газа, электрические сети, экологии, геологии и геофизики, железнодорожного и автомобильного транспорта, банковского дела, образования, управления.

 

3 Оценки экологического благополучия территорий Республики Татарстан

 

3.1 Анализ экологической  обстановки в городах 

 

Идентификация экологически благополучных  территорий основана на выявлении степени  концентрации основных источников антропогенного воздействия на окружающую среду. В  связи с этим в качестве основной цели при решении задачи выбора и  определения экологически благополучных (или не благополучных) территорий выступает анализ и определение источников загрязнения среды обитания. В качестве таковых источников были отобраны предприятия Республики Татарстан, вносящие существенный вклад (более 90 процентов от общего объема ) в разрезе основных компонент, определяющих степень экологического воздействия: масса выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух от стационарных источников; масса образовавшихся на предприятиях отходов в процессе производства и потребления по классам опасности; объем загрязненных вод.

Согласно статистическим данным (форма 2-ТП) по такому показателю, как масса выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух от стационарных источников отчитываются 9029 предприятий всех организационно-правовых форм хозяйствования Республики Татарстан. Из них в выборку, характеризующуюся наибольшим воздействием (более 90% от общего количества выбросов загрязняющих веществ) попало 207 предприятий (таблица 2).

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2. Перечень предприятий, оказывающих наибольшее воздействие на экологическое благополучие территорий Республики Татарстан по показателю масса выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух от стационарных источников