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. 1).

Этапы создания геоинформационной экологической карты

Рисунок 1. Этапы создания геоинформационной экологической карты.

Спектр применяемых программных продуктов, применяемых для экологического картографирования очень широк: ArcFM, ArcInfo, ArcView (ESRI, Inc.), MapInfo Professional (MapInfo Coгр.), MicroStation (Bentley Systems, Inc.) и др. 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 /5/.

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.