Использование ГИС для целей мониторинга земель

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИС ДЛЯ ЦЕЛЕЙ МОНИТОРИНГА  ЗЕМЕЛЬ

 

Для обеспечения функционирования мониторинга внедряются новые средства и технологии, системы наблюдений, сбора и обработки информации на основе данных дистанционного зондирования Земли, как наиболее объективного и оперативного в применении метода, что позволяет одновременно вести наблюдение за использованием земель.

Дистанционное зондирование  представляет собой комплекс различных методов фиксирования природной обстановки с помощью фотографической, сканерной, радиолокационной и другой специальной аппаратуры, а также визуальных наблюдений.

Материалы дистанционного зондирования  Земли из космоса имеют огромное значение, так как, имея большую обзорность и высокое разрешение на местности, они позволяют в короткий срок изучать и картографировать значительные по площади территории.

Главные качества дистанционных  изображений – это их высокая детальность, одновременный охват обширных пространств, возможность получения повторных снимков, изучения труднодоступных  территорий, получение информации практически в любом масштабе, широкий спектр регистрируемых параметров. 

Оперативное слежение и контроль состояния земельных ресурсов по материалам дистанционного зондирования называют аэрокосмическим мониторингом.

Мониторинг предполагает не только наблюдение за процессом или явлением, но также его оценку и прогноз. По результатам мониторинга земель составляются оперативные доклады, отчеты, научные прогнозы, тематические карты и другие материалы, которые представляются в государственные органы.

Одной из главных задач  мониторинга является создание  эффективного управления имеющимися ресурсами.  Такую роль выполняют  геоинформационные системы (ГИС-технологии),  объединяющие различную информацию в единый информационно-аналитический комплекс на основе пространственных данных.

Сфера применения ГИС-технологий  – это управление земельными ресурсами, земельные кадастры; проектирование, инженерные изыскания и планирование в градостроительстве; тематическое картографирование; инвентаризация и учет объектов; морская картография и навигация; анализ рельефа местности; навигация наземного транспорта; управление воздушным движением; геология; мониторинг окружающей среды; управление природоохранными мероприятиями; управление природными ресурсами.

Применение ГИС-технологий для мониторинга земель позволяет создавать карты непосредственно в цифровом виде по координатам, полученным в результате измерений на местности или при обработке материалов дистанционного зондирования. При создании цифровых карт в среде ГИС упор делается на создание структуры пространственных отношений между объектами, четко различаются понятия точного и неточного совпадения границ, легко осуществимо использование уже ранее оцифрованных границ при создании смежных объектов, в том числе и при работе в других отраслях, легко и в явном виде фиксируются отношения связности, соседства, смежности, вложенности, пересечения и др. пространственных объектов, необходимых при решении широкого круга аналитических и практических задач).

Цифровые карты служат основой для изготовления обычных бумажных и компьютерных карт на твердой подложке и содержат данные и правила, описывающие положение и пространственно-логические взаимоотношения объектов местности.

 

Обострение экологической  ситуации делает все более актуальными работы по сознанию информационных баз, прикладных геоинформационных систем и использованию ГИС-технологий для решения комплекса проблем, возникающих в области природопользования и охраны окружающей среды. В области мониторинга земель посредством ГИС возможно решение следующих основных задач:

- отражение текущего состояния земельных ресурсов по отдельным параметрам или их возможным совокупностям в виде картосхем различного масштаба по различным территориальным единицам и уровням;

- оценка состояния и динамика земельных ресурсов по различным параметрам (эрозия, засоление, загрязнение почв, кислотность и т. д.);

- оценка плошали и продуктивности сельскохозяйственных угодий;

- прогноз возможного изменения качества земель;

- оценка экономического ущерба от загрязнения земли воздушными, водными и другими источниками;

- моделирование экологических процессов па земле и др.

 

Для ведения мониторинга  земель во всем мире используют большое число программных средств, в основном это ГИС-продукты, так как анализировать какие-либо изменения на основе пространственных данных полноценно могут только графоаналитические географические информационные системы. Среди отечественных пакетов в области мониторинга широкое применение получили ГИС «Панорама», Photomod и GeoDraw/GeoGraph, хотя из-за ограниченных возможностей эти программы работают с данными на небольших территориях. Из общеизвестных в мире ГИСов следует отмстить ERDAS, Arclnfo (ArcVicw) и Maplnfo. Данные средства мощны и быстры в области пространственного анализа и бесспорно хороши для мониторинга, но в большинстве своем дороги для отечественного пользователя.

ГИС федерального уровня, содержащие экологический компонент, в 90-е голы XX в. разрабатывали во многих ведомствах России: в Госкомэкологии РФ (ГИС «Особо охраняемые территории»), Роскартографии (ГИС «Север» и ГИС «Байкал»), Госстрое РФ (карты сейсмического районирования, риска строительства в связи с развитием опасных природно-техногенных процессов). Министерстве природных ресурсов (ГИС по геологии и недропользованию), Министерстве путей сообщения (ГИС экологического мониторинга загрязнения железнодорожных объектов и прибегающих территорий), Министерстве по чрезвычайным ситуациям (1 очередь ГИС РСЧС), Росгидромете (ГИС в составе комплексов обработки гидрометеорологической информации и информации о загрязнении окружающей среды). Все эти ГИС планировали использовать в качестве компонентов единой системы ГИС ОГВ (ГИС органов государственной власти). Этот масштабный проект прошел лишь стадию проектных работ, формируя экологическую подсистему ГИС.

В качестве основного требования, предъявляемого к применяемым ГИС, следует отметить требования к описанию структур исходных данных и содержанию выходной информации. Меньшие требования предъявлялись к выбору программных средств и качественной цифровой топоосновы. Связано это с масштабом работ (1:3000000—1:20000000), при котором основными территориальными единицами, к которым привязываются семантические данные, являются субъекты Российской Федерации и наиболее крупные населенные пункты.

Основную массу реально  функционирующих ГИС экологической направленности сформировали территориальные подразделения Госкомэкологии РФ. Геоинформационные системы функционируют в областях: Амурской, Владимирской, Вологодской, Калининградской, Калужской, Кировской, Курской, Нижегородской, Новосибирской, Пермской, Ленинградской, Ярославской; в Алтайском крае; в республиках: Бурятия, Удмуртия, Якутия (Саха), а также в Ханты-Мансийском и Ямало-Ненецком автономных округах.

Практически все создаваемые  экологические ГИС должны решать две главные задачи: обеспечение Единой государственной системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ) и ведения Комплексного территориального кадастра природных ресурсов (КТКПР). Эти задачи в регионах сохраняют свою актуальность и поныне, несмотря на охлаждение к ним интереса в федеральных структурах.

В работе региональных информационных центров в составе Единой государственной  системы экологического мониторинга  Российской Федерации используют различные  базовые масштабы электронных топофафических карт. В 25% центров используются разовые масштабы 1:200 000— 1:500000,  в 20 % - крупнее 200 ООО, в 8% — 1:1 000 000. В 47 % центров отсутствуют электронные топографические карты.

Результаты наиболее крупных  работ по формированию геоинформационных систем мониторинга показывают, что проектирование, создание и особенно эксплуатация геоинформационных систем являются работами повышенной сложности, что не всегда очевидно заказчикам работ. Аналитическая продукция ГИС позволяет облепить постановку и решение многих практических задач природоохранной деятельности, однако эксплуатационные затраты средств и рабочего времени (в том числе квалифицированного персонала) у таких информационных систем настолько велики, что во многих случаях после начального периода информационной системы совершенствование ГИС продолжается.

Для успешной реализации работ  по созданию и эксплуатации ГИС необходимо:

- сформулировать общие информационные задачи ГИС при проведении мониторинга;

- определить конкретных потребителей информационной продукции ГИС и согласовать с ними требования к этой продукции;

- определить порядок получения исходных данных и форму их предезавлсшоч (структура, вид носителя) и обеспечить их получение;

- определить порядок формирования баз картографических и семантических данных и обеспечить их наполнение;

- сформулировать конкретные информационные задачи анализа исходных данных и связанные с этим требования к техническим и программным средствам.

ГИС позволяет визуализировать  экологически значимые данные, имеющие географическую привязку, реализовать процедуры выделения и периодического корректирования ареалов экологических проблем, которые характеризуются рядом зафиксированных параметров. Кроме того, ГИС дает возможность осуществлять типизацию проблемных ареалов в соответствии с задаваемыми критериями, что позволяет лицам, принимающим решения, в реальном времени получать информацию для оценки правильности выбранных приоритетов природоохранной деятельности по конкретным территориям и эффективности проведенных природоохранных мероприятий (с привлечением экономических данных обоснования инвестиций) и скорректировать программы контрольных и других природоохранных мероприятий.

Все функционирующие ГИС экологической направленности, осуществляющие информационную поддержку природоохранной деятельности на уровне субъекта Федерации, обладают двумя сходными чертами: использование данных государственной статистики (формы 2-ТП-водхоз, 2-ТП-воздух и др.), что обеспечивает единую стартовую платформу для аналитических построений и их «легальность», и привязка исходных данных преимущественно к административным единицам — районам субъекта Федерации, населенным пунктам, районам населенных пунктов и пр.

На этом общие черты  ГИС, созданных в разных регионах, заканчиваются. Связано это с различиями в структурах тематических данных (отсутствует стандарт на базы данных экологического содержания) и со спецификой экологических проблем конкретной территории, но главное — с особенностями требований потребителя продукции ГИС. Как правило, заказчиком ГИС выступает либо администрация области, либо областной комитет по экологии, но разработчики ГИС, заботясь о длительном их использовании, вынуждены учитывать интересы не только прямого заказчика, но и поставщиков исходных тематических данных (территориальных органов министерств и ведомств); сторонних потребителей ГИС-продукпии (инвесторы, страховые компании, общественные организации и т. п.); средств массовой информации, которые, используя ГИС-продукцию, неявно ее рекламируют.

Неполнота, плохая сопоставимость и непостоянство содержания исходных данных приводят к тощ, что экологические ГИС при своем формировании не проходят классического (научного) пути постановки и решения информационных задач.

Сотрудниками ФЦГС «Экология» предложена следующая схема реализации экологического ГИС-проекта:

- поиск и сбор доступных исходных данных;

- характеристика экологических проблем на основании собранных данных (построение «постановочных» карт, помогающих спланировать анализ данных);

- построение элементарных и комплексных карг, характеризующих компоненты окружающей среды комплексных карт, позволяющих сопоставить имеющиеся экологические проблемы и задачи Управления природоохранной деятельностью;

- типологическое районирование территории субъекта Федерации на основе имеющихся элементарных и комплексных карт с использованием тематических данных, выбранных в качестве критериальных;

- выработка рекомендаций по решению управленческой задачи: оценка правильности выбранных приоритетов природоохранной деятельности; оценка экономической эффективности осуществленных природоохранных мероприятий; корректировка программ контрольных и природоохранных мероприятий; оформление полученных результатов в соответствии с 'требованиями конкретного пользователя.

Виды выходной продукции ГИС экологической направленности, получаемые на разных стадиях анализа тематических данных, представлены на рисунке 7.17.

Алгоритм анализа в  каждом конкретном случае уникален, но необходимо заметить, что процедура  типологического районирования, осуществляемая достаточно редко, представляется наиболее корректной формой «сворачивания» множественных разнородных данных, поскольку не выходит за пределы здравого смысла и позволяет любому пользователю восстановить последовательность uiaroB при анализе данных, а значит, проверить полученные результаты.

При таком подходе любые  имеющиеся данные при проведении конкретного анализа подразделяют на базовые (предмет исследования), критериальные (специфика ведомства, решающего конкретные задачи) и управляющие (потребности управляющих структур в конкретной ситуации).