Высшее профессиональное образование основы геоинформатики вдвух книгах

Вид материала

Книга

Содержание Восстановление среды обитания. Экологический мониторинг и контроль нефтепровода Россия — Китай ГИС в решении радиационных проблем Кольского полуострова Экологическая ГИС и система экологического мониторинга в Ямало-Ненецком автономном округе

Подобный материал:

• Должностная инструкция менеджера по персоналу 00. 00. 0000, 61.54kb.
• Наименование реализуемых программ, 40.13kb.
• Учебное пособие практикум по конкурентным стратегиям, слияниям и поглощениям Кафедра, 1849.76kb.
• Утверждено ученым советом дгу 26 января 2012 г., протокол, 78.34kb.
• Программа вступительных испытаний по литературе на экзамене по литературе поступающий, 270.11kb.
• Апк агропромышленный комплекс; впо высшее профессиональное образование; гоу государственное, 760.98kb.
• Высшее экономическое образование за 3 года 4 месяца для лиц, имеющих среднее и высшее, 28.87kb.
• Учебно-тематический план для подготовки по специальности «Оператор ЭВМ с основами делопроизводства, 140.91kb.
• Учебно-тематический план для подготовки по специальности «Оператор ЭВМ с основами арм, 121.8kb.
• «Исследование природных ресурсов аэрокосмическими средствами», 30.45kb.

Деградация среды обитания. ГИС с успехом используется для создания карт основных параметров окружающей среды. В даль­нейшем, при получении новых данных, эти карты используются для выявления масштабов и темпов деградации флоры и фауны. При вводе данных дистанционных, в частности спутниковых, и обычных полевых наблюдений с их помощью можно осуществ­лять мониторинг местных и широкомасштабных антропогенных воздействий. Данные о антропогенных нагрузках целесообразно наложить на карты зонирования территории с выделенными об­ластями, представляющими особый интерес с природоохранной точки зрения, например парками, заповедниками и заказника­ми. Оценку состояния и темпов деградации природной среды можно проводить и по выделенным на всех слоях карты тесто­вым участкам.

Загрязнение. С помощью ГИС удобно моделировать влияние и распространение загрязнения от точечных и неточечных (простран­ственных) источников на местности, в атмосфере и по гидроло­гической сети. Результаты модельных расчетов можно наложить на природные карты, например карты растительности, или же на карты жилых массивов в данном районе. В результате можно опе­ративно оценить ближайшие и будущие последствия таких экст­ремальных ситуаций, как разлив нефти и других вредных веществ, а также влияние постоянно действующих точечных и площадных загрязнителей.

Охраняемые территории. Еще одна распространенная сфера применения ГИС — сбор и управление данными по охраняемым территориям, таким, как заказники, заповедники и национальные парки. В пределах охраняемых районов можно проводить полно­ценный пространственный мониторинг растительных сообществ ценных и редких видов животных, определять влияние антропо­генных вмешательств, таких, как туризм, прокладка дорог или ЛЭП, планировать и доводить до реализации природоохранные мероприятия. Возможно выполнение и многопользовательских задач — регулирование выпаса скота и прогнозирование продук­тивности земельных угодий. Эти задачи ГИС решают на научной основе, т. е. выбираются решения, обеспечивающие минимальный

361

уровень воздействия на природу, сохранение на требуемом уров­не чистоты воздуха, водных объектов и почв, особенно в часто посещаемых туристами районах.

Неохраняемые территории. Региональные и местные руководя­щие структуры широко применяют возможности ГИС для получе­ния оптимальных решений проблем, связанных с распределением и контролируемым использованием земельных ресурсов, улажива­нием конфликтных ситуаций между владельцем и арендаторами земель. Полезным и зачастую необходимым бывает сравнение теку­щих границ участков землепользования с зонированием земель и перспективными планами их использования. ГИС обеспечивает также возможность сопоставления границ землепользования с требова­ниями природы. Например, в ряде случаев бывает необходимым зарезервировать коридоры миграции диких животных через осво­енные территории между заповедниками или национальными пар­ками. Постоянный сбор и обновление данных о границах земле­пользования может оказать большую помощь при разработке при­родоохранных, в том числе административных и законодательных, мер, отслеживать их исполнение, своевременно вносить измене­ния и дополнения в имеющиеся законы и постановления на осно­ве базовых научных экологических принципов и концепций.

Восстановление среды обитания. ГИС является эффективным средством для изучения среды обитания в целом, отдельных ви­дов растительного и животного мира в пространственном и вре­менном аспектах. Если установлены конкретные параметры окру­жающей среды, необходимые, например, для существования ка­кого-либо вида животных, включая наличие пастбищ и мест для размножения, соответствующие типы и запасы кормовых ресур­сов, источники воды, требования к чистоте природной среды, то ГИС поможет быстро подыскать районы с подходящей комбина­цией параметров, в пределах которых условия существования или восстановления численности данного вида будут близки к опти­мальным. На стадии адаптации переселенного вида к новой мест­ности ГИС эффективна для мониторинга ближайших и отдален­ных последствий принятых мероприятий, оценки их успешности, выявления проблем и поиска путей по их преодолению.

Междисциплинарные исследования (экология и медицина/демог­рафия/климатология). Интегральные функциональные возмож­ности ГИС в наиболее явном виде проявляются и благоприятству­ют успешному проведению совместных междисциплинарных ис­следований. Они обеспечивают объединение и наложение друг на друга любых типов данных, лишь бы их можно было отобразить на карте. К подобным исследованиям относятся, например, та­кие: анализ взаимосвязей между здоровьем населения и разнооб­разными (природными, демографическими, экономическими) факторами; количественная оценка влияния параметров окружа-

362

ющей среды на состояние локальных и региональных экосистем и их составляющих; определение доходов землевладельцев в зави­симости от преобладающих типов почв, климатических условий, удаленности от городов и др.; выявление численности и плотнос­ти ареалов распространения редких и исчезающих видов растений в зависимости от высоты местности, угла наклона и экспозиции склонов.

Экологическое образование. Поскольку создание бумажных карт с помощью ГИС значительно упрощается и удешевляется, появ­ляется возможность получения большого количества разнообраз­ных экологических карт, что расширяет возможности и широту охвата программ и курсов экологического образования. Ввиду про­стоты копирования и производства картографической продукции ее может использовать практически любой ученый, преподава­тель или студент. Более того, стандартизация формата и компо­новки базовых карт служит основой для сбора и демонстрации данных, получаемых учащимися и студентами, обмена данными между учебными заведениями и создания единой базы по регио­нам и в национальном масштабе. Можно подготовить специаль­ные карты для землевладельцев с целью ознакомления их с пла­нируемыми природоохранными мероприятиями, схемами буфер­ных зон и экологических коридоров, которые создаются в данном районе и могут затронуть их земельные участки.

Экотуризм. Возможность быстрого создания привлекательных, красочных и в то же время качественных профессионально со­ставленных карт делает ГИС идеальным средством создания рек­ламных и обзорных материалов для вовлечения публики в быстро развивающуюся сферу экотуризма. Характерной чертой так назы­ваемых «экотуристов» является глубокая заинтересованность в подробной информации о природных особенностях данной мест­ности или страны, о происходящих в природе процессах, связан­ных с экологией в широком смысле. Среди этой достаточно мно­гочисленной группы людей большой популярностью пользуются созданные с помощью ГИС научно-образовательные карты, ото­бражающие распространение растительных сообществ, отдельных видов животных и птиц, области эндемиков и т.д. Подобная ин­формация может оказаться полезной для целей экологического образования или для туристских агентств, для получения допол­нительных средств из фондов проектов и национальных программ, поощряющих развитие путешествий и экскурсий.

Мониторинг. По мере расширения и углубления природоох­ранных мероприятий одной из основных сфер применения ГИС становится слежение за последствиями предпринимаемых дей­ствий на локальном и региональном уровнях. Источниками об­новляемой информации могут быть результаты наземных съемок или дистанционных наблюдений. Использование ГИС эффектив-

363

но и для мониторинга условий жизнедеятельности местных и привнесенных видов, выявления причинно-следственных цепо­чек и взаимосвязей, оценки благоприятных и неблагоприятных последствий предпринимаемых природоохранных мероприятий на экосистему в целом и отдельные ее компоненты, принятия оперативных решений по их корректировке в зависимости от внешних условий.

Теперь обратимся к конкретным реализованным экологичес­ким проектам с использованием ГИС-технологий. Все приводи­мые ниже примеры взяты из опубликованных в Интернете обзо­ров, материалов конференций и других публикаций.

Экологический мониторинг и контроль нефтепровода Россия — Китай (С. Г. Кореей, Е.О.Чубай РАО «РОСНЕФТЕГАЗСТРОЙ»). Как правильно отмечено авторами, строительство трубопровода влечет за собой воздействие на состояние окружающей среды, флоры и фауны, но при грамотном и рациональном подходе к трассированию и непосредственно строительству изменение эко­системы может быть сведено к минимуму. Основополагающий ас­пект экологически грамотного проектирования нефтепровода зак­лючается в смягчении воздействия на геосистемы и в использова­нии специальных технических приемов для стабилизации их со­стояния на некотором приемлемом уровне. При правильно вы­полненных изысканиях, достаточной базе пространственных дан­ных, грамотном инженерно-геологическом прогнозе, а также при хорошей организации и выполнении работ с использованием тех­нологий ГИС негативные явления могут быть сведены к миниму­му. Поэтому важно выполнять все этапы экологических изыска­ний, прогноза и мониторинга.

Как известно, ГИС-технологии применяются при решении задач построения многоуровневых информационных баз простран­ственных данных, обеспечивающих доступ ко всему комплексу ресурсов эффективным и наглядным способом. Это позволяет ге­нерализовать информацию для успешного решения задач управ­ления нефтепроводом, его инвентаризации и отслеживания со­стояния и ресурса. Кроме того, ГИС доказали свою высокую эф­фективность и при решении различных оперативных задач в про­цессе эксплуатации нефтепровода, в том числе в условиях чрез­вычайных ситуаций. Исходя из этого, уже на первых стадиях про­ектирования нефтепровода Россия — Китай был произведен ГИС-анализ, позволяющий понять закономерности и взаимные отно­шения географических данных и объектов. Результаты анализа позволяют проникнуть в суть происходящего в данном месте, ко­ординировать действия и выбрать лучший вариант решения. Со­вместное применение ГИС и данных дистанционного зондирова­ния резко повышает оперативность и качество решений, направ­ленных на ликвидацию аварий и минимизацию их последствий.

364

Исследования по оценке воздействия на окружающую среду проектируемого нефтепровода включали следующие этапы:

• анализ состояния территории, на которую может оказать вли­
  яние намечаемая деятельность;
  

• выявление возможных воздействий на окружающую среду;
  
• оценка воздействий на окружающую среду;
  

• определение мероприятий, уменьшающих, смягчающих или
  предотвращающих негативные воздействия;
  
• оценка значимости остаточных воздействий на окружающую
  среду и их последствий;
  
• разработка программы экологического мониторинга и конт­
  роля на всех этапах реализации намечаемой деятельности.
  

Для выполнения работ по оценке экологической ситуации неф­тепровода Россия—Китай был проведен многосторонний анализ информации. Разработана система экологического мониторинга для успешного проведения больших объемов комплексных строитель­ных работ в условиях законодательных ограничений, установлен­ных в отношении природной среды.

Система природного мониторинга содержит информацию о текущем состоянии экосистемы и взаимодействует с системой прогнозного моделирования для оценки разных сценариев строи­тельства нефтепровода в целях достижения наиболее экономич­ного решения с учетом экологического критерия.

Учитывая, что основой для работы региональной ГИС эколо­гической направленности является цифровая модель рельефа (ЦМР), построение ЦМР проводилось с учетом основных геогра­фических закономерностей. Кроме горизонталей и отметок высот учитывались реки, мелкие озера, батиметрия крупных озер, от­метки урезов воды и др.

Работы с применением ГИС по анализу реальных и гипотети­ческих ситуаций, которые могут возникнуть в процессе эксплуа­тации нефтепровода, проведены с использованием функций Arc View Spatial Analyst и 3D Analyst. По построенным ЦМР водо­сборов были определены направления водотоков, рассчитаны протяженность, площадь и объем разлива нефти в случае аварии. Это позволило скорректировать трассу нефтепровода в обход наи­более уязвимых участков. Математическая модель местности (МММ) строилась на основе ЦМР высокого разрешения и ряда тематических слоев. По ней можно в автоматизированном режиме выделять водосборные бассейны для каждой точки поверхности, рассчитывать зоны затопления (загрязнения в случае разлива не­фти), дальность распространения загрязнения с учетом почвен­ного покрова, растительности, гранулометрического состава грун­тов, температурных параметров (воздуха и грунта), наличия осад­ков в момент ЧС, величины снежного покрова и т.д. Такой под­ход к выбору трассы позволяет минимизировать риски и значи-

365

тельно уменьшить масштабы негативных последствий возможных техногенных катастроф в данном районе. Учитывая высокую сей­смичность региона, данный подход является практически един­ственно возможным.

ГИС в решении радиационных проблем Кольского полуострова (С.Морозов, В.Кошкин, Институт проблем промышленной эко­логии Севера КНЦ РАН). Как правильно отмечено авторами, для выполнения работ по оценке радиационного риска региона необ­ходим качественный анализ доступной информации и характери­стик о радиационно-опасных объектах (РОО). Помочь решению проблемы могут современные методы работы с пространственно распределенными наборами данных, в первую очередь ГИС. Ра­боты с применением ГИС по анализу реальных и гипотетических ситуаций, возникающих на РОО, ведутся не первый год, в том числе и в нашей стране. В Кольском научном центре РАН и, в частности, в Институте проблем промышленной экологии Севе­ра КНЦ РАН исследуются экологические аспекты радиационной проблематики Кольского полуострова и региона. Основные зада­чи состоят в следующем:

• используя ГИС, сделать открытые данные по РОО регио­
  на более наглядными и убедительными, а проблему — более
  внятной;
  
• расширить доступ заинтересованных лиц к этим данным;
  
• на основе результатов компьютерного моделирования ава­
  рийных ситуаций на РОО и ГИС-анализа радиационного риска
  территорий выполнить построение соответствующих электрон­
  ных карт;
  
• облегчить создание общего языка, интерфейса общения для
  отечественных и международных заинтересованных инстанций на
  всех уровнях, с целью продуктивного обсуждения проблемы и
  поисков средств и способов ее решения.
  

В настоящее время разработана структура и некоторые предва­рительные блоки ГИС региона, соответствующие кругу рассмат­риваемых вопросов. Основная цель разработки — на основе техно­логии ГИС создать информационный модуль, чтобы:

• систематизировать и структурировать информацию по РОО
  региона;
  
• анализировать радиационные проблемы в регионе;
  
• подготавливать исходные данные для математического моде­
  лирования атмосферного переноса радионуклидов и оценки риска
  в районах расположения ядерных энергетических установок (ЯЭУ).
  

Области ее применения включают: региональные системы ра­диационного мониторинга и автоматизированные системы (ло­кальные, региональные) поддержки принятия решений в случае возникновения аварии на ядерных объектах.

Информационная поддержка:

366

• природоохранных предприятий и организаций региона;
  
• научно-исследовательских проектов и проектно-изыскатель-
  ских работ;
  
• органов государственного надзора и ведомств по чрезвычай­
  ным ситуациям.
  

База данных ГИС будет включать в себя объекты, сгруппиро­ванные в несколько слоев. На первом этапе были выбраны те объек­ты и в том объеме, которые обеспечены открытыми источниками информации: АЭС, затопленные корабли с твердыми радиоак­тивными отходами, места затопления ядерных реакторов, места проведения ядерных взрывов, места инцидентов с атомными под­водными лодками, места запуска космических аппаратов в регио­не (космодромы). Исходная информация для баз данных была по­лучена из опубликованных источников и по результатам поиска в Интернет. В работе по конструированию ГИС использовались сле­дующие продукты фирмы ESRI, Inc:

• Arclnfo — для создания слоев карты (со встроенной картой
  мира в проекции Робинсона в качестве картографической основы);
  
• язык AML — для разработки интерфейса к базе данных;
  
• ArcExplorer 1.1 — для презентаций карт на персональном
  компьютере.
  

Ниже приводятся краткие описания выбранных объектов.

Реакторы атомных электростанций. В базу ГИС по энергобло­кам АЭС включены данные по 21 блоку 12 станций, включая Би-либинскую АЭС и Норильский экспериментальный реактор.

Предварительная версия разрабатываемой ГИС конструирует­ся пока как локальный информационно-справочный модуль по радиационно-опасным объектам. Более перспективным является применение ГИС в региональных автоматизированных системах контроля радиационной обстановки и системах поддержки при­нятия решений на случай радиационных аварий. Институт про­блем промышленной экологии Севера использует в настоящее время отдельные приложения ГИС-технологии для создания ло­кальной Автоматизированной системы контроля радиационной обстановки Кольской АЭС.

ГИС все более активно используются для анализа радиацион­ного риска региона. Это связано с тем, что используемые модели должны учитывать большие массивы важных пространственно распределенных параметров. Слияние математического модели­рования с ГИС требует либо создания стандартного интерфейса между моделями и ГИС, либо разработки математических моде­лей в рамках ГИС-технологии. Реализованная в Arclnfo (начиная с версии 7.1.2) Открытая среда разработки приложений (ODE) позволяет объединять функциональные возможности Arclnfo и Других прикладных программ через специально создаваемые ин­терфейсы с использованием стандартных сред программирова-

367

ния. ODE позволила включить множество прикладных программ в пространство ГИС-технологий. В семействе продуктов ESRI, Inc есть и другие модули, необходимые для рассматриваемого класса задач. К ним относятся серверы пространственных дан­ных, картографические серверы Интранет/Интернет, модуль для встраивания карт и функций ГИС в собственные приложения, модули для моделирования природной среды.

По мнению авторов, применение ГИС поможет успешно при­ступить к решению задач инвентаризации, учета и контроля за состоянием радиационно-опасных объектов и самой территории региона, а также математического моделирования связанных с ними ситуаций.

Экологическая ГИС и система экологического мониторинга в Ямало-Ненецком автономном округе (О.Розанов, Отдел экологи­ческого мониторинга Государственного комитета по охране окру­жающей среды ЯНАО). В основу региональной ГИС была положе­на электронная карта масштаба 1: 200 000, оцифрованная в систе­ме Arclnfo в проекции Гаусса—Крюгера на эллипсоиде Красовс-кого в системе прямоугольных координат 1942 г., после чего была произведена оценка точности оцифровки, которая подтвердила соответствие метрической информации точности исходных кар­тографических материалов. Число слоев карты и их насыщенность полностью соответствуют каждому тиражному оттиску карты. По мере развития ГИС карта дополнялась объектами месторождений, лицензионных участков, особо охраняемых территорий (заказни­ков, заповедников), инфраструктурой. Указанная информация была собрана и собирается по сей день из различных источников и пе­реведена в покрытия Arclnfo. Самая свежая информация по об­новлению тематики карт была получена в отделе со спутника «Ре-сурс-01».

Первый этап обработки принимаемой информации заключа­ется в просмотре изображения, географической привязке по ор­битальным элементам, вырезке полезных фрагментов, коррекции привязки по реперным точкам на изображении, сохранении выб­ранных фрагментов и экспорте в исходные формы. Второй этап обработки снимков занимает процесс тематического дешифриро­вания. Практические навыки приобретались в полевых условиях Пуровского района на месторождениях Пограничное и Вынгапу-ровское. Работы по обработке снимков выполнялись програм­мным продуктом Maplnfo. Первые результаты работы с растровы­ми изображениями в Maplnfo показали оперативность и доста­точную простоту в определении периметра и площадей выделяе­мых на снимке объектов (зоны затопления, гари и др.), а также в рисовке определенных участков рельефа и техногенных наруше­ний, имеющих особый интерес у контролирующих служб. На этом работа в Maplnfo и заканчивалась. Затем начинались проблемы по

368

трансформированию снимков в проекцию Гаусса-Крюгера и экс­портированию в систему ArcView для работы с векторной картой. Определенная помощь в трансформировании снимков была полу­чена при работе с программой Image Transformer, разработанной в ИТЦ Сканэкс. Однако после выхода модуля ArcView Image Analysis (ERDAS) работа существенно ускорилась.

В основу экологической ГИС города Салехарда была положена электронная карта масштаба 1:10 000, дополненная путем оциф­ровки планшетов масштаба 1: 2000. При построении тематических слоев карты города Салехарда использовались новейшие данные застройки города, которые чаще всего предоставлялись в виде калек, планов и планшетов. Для трансформирования и привязки сканированных изображений в покрытия карты успешно исполь­зовался модуль ArcView Image Analysis. Также этот модуль был оп­робован для совмещения растрового изображения космоснимка зоны затопления в период половодья на реке Обь с векторной картой масштаба 1: 200 000. Благодаря удачной совместимости мо­дуля с системой ArcView GIS были получены положительные ре­зультаты по созданию тематических цифровых карт на основе сним­ков и их обновлению. Таким образом, были оцифрованы матери­алы аэрофотосъемки, несущие в себе информацию об антропо­генных нарушениях за пределами административной границы го­рода Салехарда. Это разрабатываемые в настоящее время и старые не рекультивированные карьеры, площадки для складирования грунтов, неучтенные грунтовые дороги и тропы. Использование опорной информации по трансформированному участку местно­сти дало возможность существенно улучшить точность геометри­ческого преобразования без дополнительной интерполяции ярко­сти пикселов на изображении.

Проводимая в отделе работа по использованию принимаемой спутниковой информации в ГИС региона представляет практи­ческий интерес как для контролирующих служб комитета, так и для других заинтересованных структур. Планируются совместные работы с Гидрометслужбой и службами навигации ледовой и ме­теорологической обстановки в Северных морях.

По причине непостоянства погодных условий Крайнего Севе­ра, быстро сменяющих друг друга арктических циклонов и, как следствие, малого количества ясных дней, нецелесообразности приема оптических изображений в темные месяцы года весьма перспективными являются данные спутников с радарами боково­го обзора (SAR), такими, как IRS и RADARS AT. А появление на вооружении мощной системы обработки данных дистанционного зондирования ERDAS Imagine позволяет отделу экологического мониторинга Государственного комитета по охране окружающей среды ЯН АО выступить инициатором широкого применения ме­тодов дистанционного зондирования в округе.

369