Геоинформационные системы в экологии. ГИС в экологии. Какие основные аналитические возможности обычно присутствуют в современных ГИС

Что такое ГИС?ГИС (Геоинформационная система) - система
сбора, хранения, анализа и графической
визуализации пространственных(географических)
данных и связанной с ними информацией о
необходимых объектах. В более узком смысле -
ГИС как инструмент (программный продукт),
позволяющий пользователям искать, анализировать
и редактировать цифровые карты, а также
дополнительную информацию об объектах,
например высоту здания, адрес, количество
жильцов.

История ГИС

Хотя геоинформационные системы явление
относительно новое, его историю можно разделить
на четыре основных этапа:

Этапы развития ГИС

1950е –
1970е гг.
Начальный период
Запуск первого искусственного спутника Земли
Появление электронных вычислительных машин
(ЭВМ) в 50-х годах.
Появление цифрователей, плоттеров,
графических дисплеев и других периферийных
устройств в 60-х.
Создание программных алгоритмов и процедур
графического отображения информации на
дисплеях и с помощью плоттеров.
Создание формальных методов
пространственного анализа.
Создание программных средств управления
базами данных.

Этапы развития ГИС

1970е –
1980е гг.
Период государственных инициатив
Государственная поддержка ГИС
стимулировала развитие
экспериментальных работ в области ГИС,
основанных на использовании баз
данных по уличным сетям:
Автоматизированные системы
навигации.
Системы вывоза городских отходов и
мусора.
Движение транспортных средств в
чрезвычайных ситуациях и т. д.

Этапы развития ГИС

1980е –
настоящее
время
Период коммерческого развития
Широкий рынок разнообразных программных
средств, развитие настольных ГИС,
расширение области их применения за счет
интеграции с базами непространственных
данных, появление сетевых приложений,
появление значительного числа
непрофессиональных пользователей, системы,
поддерживающие индивидуальные наборы
данных на отдельных компьютерах, открывают
путь системам, поддерживающим
корпоративные и распределенные базы
геоданных.

Этапы развития ГИС

1980е –
настоящее
время
Пользовательский период
Повышенная конкуренция среди коммерческих
производителей геоинформационных технологий услуг
дает преимущества пользователям ГИС, доступность и
«открытость» программных средств позволяет
использовать и даже модифицировать программы,
появление пользовательских «клубов»,
телеконференций, территориально разобщенных, но
связанных единой тематикой пользовательских групп,
возросшая потребность в геоданных, начало
формирования мировой геоинформационной
инфраструктуры. Морфометрический анализ рельефа на
основе ГИС-технологий новое направление в этой
области

Разделение ГИС

1)По территориальному охвату:
- Глобальные (планетарные) ГИС;
- Субконтинетальные ГИС;
- Национальные ГИС;
- Региональные ГИС;
- Субрегиональные ГИС;
- Локальные(местные) ГИС;

2)По предметной области
информационного моделирования:
- Городские ГИС;
- Муниципальные ГИС(МГИС);
- Природоохранные ГИС;

Классификация ГИС - ресурсов

Пользовательские ГИС (ArcGIS, Mapinfo, QGIS, gvSIG)
Пользовательские ГИС интегрированные с
виртуальными глобусами(расширение для ArcGIS
разработанное Brian Flood и позволяющее
интегрировать его с Virtual Earth
Виртуальные глобусы (Google Maps, Google Earth,
Virtual Earth, ArcGIS Explorer)
Картографические веб-сервера (MapServer, GeoServer,
OpenLayers и др.)

Примеры ГИС-ресурсов

Сферы приложения ГИС
- Экология и природопользование
- Земельный кадастр и землеустройство
- Управление городским хозяйством
- Региональное планирование
- Демография и исследование трудовых
ресурсов
- Управление дорожным движением
- Оперативное управление и планирование в
чрезвычайных ситуациях
- Социология и политология

Примеры ГИС – ресурсов

ГИС в экологии и природопользовании
- Состояние воздуха

- Расположение водных объектов на территории г. Москвы

- Состояние подземных вод

- Экологическая карта биоразнообразия г. Москвы: расселение
пресмыкающихся

ArcInfo (ESRI, США) (векторная топологическая модель)
ArcView (ESRI , США) (векторная нетопологическая
модель)
ERDAS Imagine (ERDAS, Inc. , США) (растровая модель)
MapInfo Profiessional (MapInfo , США) (векторная
нетопологическая модель)
MicroStation (Bentley System, Inc. , США) (3D)
ER Mapper (ER Mapping , Австралия) (растровая модель)
WinGis (Progis, Австрия) (векторная нетопологическая
модель)

AutoCAD Map (Autodesk, Inc. США)
AutoCAD Land Development Desktop
(землеустройство и землепользование)
Autodesk Civil Design (гражданское строительство)
Autodesk Survey (обработка геодезических данных)
Autodesk Map Guide (Web)

Рассматривая город как целостную систему, можно выделить факторы,
влияющие на экологическую безопасность населения: это загрязнение
атмосферы, почвы, водоемов предприятиями и транспортом, низкое качество
питьевой воды, несоответствие продуктов питания необходимым нормам.
Однако если для потребления питьевой воды и продуктов питания все же
существует контроль и управление качеством, то состояние окружающей
среды в современных городах продолжает ухудшаться из-за огромного
количества техногенной нагрузки.

ЭкоГИС

Это компонент ЭПК РОСА,
реализующий возможности
экологической геоинформационной
системы (ГИС). ЭкоГИС объединяет
мощный графический модуль, базу
данных и специальные средства
автоматизации проектирования.
Экологическая ГИС позволяет
использовать современные
инструменты для работы с картами,
планами, схемами, что существенно
облегчает и ускоряет процесс
проектирования как для крупных,
так и для небольших организаций.

ЭПК РОСА - графический модуль - карта-схема и проектные
данные

Фрагмент карты города - топооснова для построения экологической
карты

Сканированная карта-схема предприятия с привязкой по координатам

Векторная карта-схема предприятия после оцифровки

СИСТЕМА МЕДИКО-ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ОС
«МЭМОС» на базе геоинформационных технологий (ГИС).
Цель проекта: на основе
постоянно собираемой
информации о факторах среды и
здоровья, разработка и внедрение
комплексной системы
представления, анализа и прогноза
данных окружающей среды и
здоровья населения. Цель
реализуется посредством решения
нижеперечисленных задач.

Задачи МЭМОС:
формирование экологического и социально-гигиенического мониторинга
(организация сбора и хранения данных);
обоснование выбора ведущих (определяющих) факторов влияния на здоровье
населения тех или иных территорий;
прогнозирование во времени и в пространстве состояния окружающей среды;
прогнозирование во времени и в пространстве состояния здоровья населения на
перспективу;
расчет риска здоровью населения от ведущих факторов воздействия среды;
построение организационно-методической и правовой систем управления
здоровьем населения;
формирование экономических механизмов поддержания устойчивого развития
региона на основе медико-экологического благополучия
представление лицам, принимающим решения, результатов мониторинга через
веб-интерфейсы в Интернет

Система МЭМОС имеет ряд существенных преимуществ. Она дает
возможность лицам, принимающим решения:
оценить величину затрат на улучшение экологической обстановки вокруг
промышленного объекта;
оценить величину затрат на здравоохранение, связанных с отрицательным
воздействием на здоровье конкретного фактора окружающей среды;
выполнить прогноз государственных затрат на здравоохранение, связанных с
воздействием одного или нескольких факторов окружающей среды;
обосновать материальный иск граждан на ущерб здоровью, связанный с вредным
воздействием факторов среды обитания;
в рамках существующей правовой системы создать возможности экономической
защиты граждан в связи с влиянием окружающей среды.

Заключение

ГИС-технологии – это не просто
компьютерная база данных. Это огромные
возможности для анализа, планирования и
регулярного обновления информации. ГИСтехнологии сегодня находят применение
практически во всех сферах жизни, и это
помогает действительно эффективно решать
многие задачи. В частности задачи свзяанные
с экологической безопасностью в городской
среде.

Введение

1.1 Деградация среды обитания

1.2 Загрязнение

1.3 Охраняемые территории

1.4 Неохраняемые территории

1.6Мониторинг

2.2 Функциональные возможности системы

2.3 Методы получения комплексной оценки

Заключение

Литература

геоинформационный карта нефтегазовый мониторинг

Введение

Во всем мире проблемам охраны окружающей среды сейчас уделяется повышенное внимание. И это не удивительно. Бурное развитие хозяйственной деятельности людей создало все предпосылки реальной возможности экологического кризиса. В этой связи большое значение приобретает направление, связанное с количественной оценкой антропогенных воздействий на окружающую среду, созданием систем комплексной оценки состояния экологической обстановки, а также моделированием и прогнозированием развития ситуации. Создание подобных систем в настоящее время невозможно без использования современных компьютерных инструментов. Одним из важных инструментов являются ГИС-технологии.

Оценка состояния сложных природных объектов в окружающей среде подразумевает всесторонний анализ воздействия различных факторов. Получение комплексных оценок затруднено многообразием характеристик объекта, разнотипностью доступной информации, что повышает актуальность задачи обеспечения метрологической сопоставимости разнородных данных.

1. Роль и место ГИС в природоохранных мероприятиях

1.1 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 об 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 .

1.2 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 .

1.3Охраняемые 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, таких как регулирование выпаса скота и прогнозирование продуктивности земельных угодий. Такие задачи ГИС решает на научной основе, то есть выбираются решения, обеспечивающие минимальный уровень воздействия на дикую природу, сохранение на требуемом уровне чистоты воздуха, водных объектов и почв, особенно в часто посещаемых туристами районах .

1.4Неохраняемые 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 дикой 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 .

1.5Восстановление 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 предпринятых мероприятий, оценки их успешности, выявления проблем и поиска путей по их преодолению .

1.6Мониторинг

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 с воздушного транспорта и из космоса. Использование ГИС эффективно 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 меняющихся внешних условий .

2. Комплексная оценка окружающей природной среды

2.1 Базовые основы системы комплексной оценки окружающей природной среды

Геоинформационная система комплексной оценки, моделирования и прогнозирования состояния окружающей природной среды (ОПС)а базируется на топографической основе с единой системой координат, на базах данных, имеющих единую организацию и структуру и являющихся хранилищем всей информации об анализируемых объектах, на наборе программных модулей для получения оценок по ранее разработанным алгоритмам . Система позволяет:

· осуществлять сбор, классификацию и упорядочивание экологической информации;

· исследовать динамику изменения состояния экосистемы в пространстве и во времени;

· по результатам анализа строить тематические карты;

· моделировать природные процессы в различных средах;

· оценивать ситуацию и прогнозировать развитие экологической обстановки.

Часть работ велась совместно с Невско-Ладожским бассейновым водным управлением, зона действия которого распространяется на Северо-Западный регион и включает Санкт-Петербург и Ленинградскую область, Новгородскую и Псковскую области, республику Карелия и Калининградскую область. Соответственно, вся информация собрана и систематизирована для этого региона. Топографическая основа системы комплексной оценки служит для визуализации результатов исследований и пространственного анализа (рис. 1).

Рис. 1. Топооснова системы комплексной оценки.

Основной информационной единицей топоосновы являются листы цифровых карт масштаба 1:200 000. Топографическая основа представляет собой набор структурированных в виде отдельных слоев данных о местности: реки, озера, дороги, леса, посты контроля и т.д.

База данных системы комплексной оценки включает:

· базу результатов контрольных измерений;

· базу характеристик природных объектов;

· базу характеристик источников загрязнения;

· нормативную базу.

База контрольных измерений является основой системы мониторинга состояния окружающей среды, позволяющей оперативно оценивать экологическую ситуацию в заданном районе и представлять ее на карте .

Система позволяет исследовать динамику загрязнения в пространстве и во времени, в том числе:

· проводить анализ в заданной точке для выбранных показателей по датам наблюдений (временной анализ);

· получать нормированные оценки;

· формировать усредненные оценки по заданному показателю по перечню контрольных постов (пространственный анализ) и строить тематические карты (рис. 2);

· рассчитывать интегральные оценки.

Рис. 2. Пространственный анализ состояния водного объекта.

2.2Функциональные возможности системы

Единая база природных объектов и источников загрязнения обеспечивает возможность моделирования распространения вредных веществ в воздушной и водной средах с целью исследования сложившейся обстановки и выработки рекомендаций по ликвидации последствий кризисных ситуаций и по рациональному природопользованию. Модели распространения загрязняющих веществ в воде и в воздухе учитывают технологические характеристики предприятий (экологический паспорт), географическое местоположение, метеорологические условия .

Реализована модель распространения примеси в воздухе, основанная на методике ГГО, называемая ОНД-86. Результатом работы модели является поле концентраций, представленное в виде слоя ГИС (рис. 3).

Рис. 3. Моделирование распространения примеси в воздухе.

Для водотоков реализована модель конвективно-диффузионного переноса загрязняющих веществ. Моделирование распространения загрязняющих веществ осуществляется от группы водовыпусков в пределах участка или целого водного бассейна с учетом их специфики (рис. 4). Рассчитывается предельно допустимый сброс сточных вод в водные объекты. Результатом работы модели также является поле концентраций, импортируемое в ГИС.

Рис. 4. Моделирование распространения примеси в водотоке.

Комплексная оценка состояния сложных природных объектов строится на основе результатов контроля характеристик в различных средах (измерений уровня радиации, концентрации примеси вредных веществ, площади загрязнения и др.), результатов обследований и экспертизы, а также результатов моделирования различных ситуаций техногенного или природного происхождения. Это повышает актуальность задачи объединения количественных и качественных характеристик, соблюдения требований единства измерений.

2.3Методы получения комплексной оценки

В созданной системе решена задача объединения разнородных данных для получения комплексных оценок состояния объектов окружающей природной среды на единой метрологической основе . Разработаны методы построения нормированных шкал с целью объединения различных оценок, учитывающие характеристики достоверности и степени участия каждого фактора. За нормированную шкалу принята шкала с равными отрезками и условными отношениями: 0-1 – значительно ниже нормы (ЗНН); 1-2 – ниже нормы (НН); 2-3 – норма (Н); 3-4 – выше нормы (ВН); 4-5 – значительно выше нормы (ЗВН).

Для оценки качеств результатов контрольных измерений используется нормирование относительно предельно допустимой концентрации (ПДК). Плоскость соответствия нормированных значений контрольных измерений и качественных оценок изображена на рис. 5.

Рис. 5. Плоскость соответствия нормированных значений и качественных оценок.

Каждый результат измерений представляет собой случайную величину, истинное значение которой находится в интервале x*=x’± ks . В этом случае принятие того или иного значения контролируемой величины на нормированной шкале качественных отношений может быть определено как вероятность нахождения значения измеряемой величины в соответствующем интервале значений концентраций. Вероятность принятия того или иного значения качества может быть определена как:

Выбор граничных значений (C i) зависит от класса опасности вещества и региона обследования, что объясняется конкретной экологической обстановкой и существующей нормативной базой.

В случае, когда для оценки отдельных объектов ОПС используются сложные характеристики, значение некоторого обобщенного показателя определяет качественное значение контролируемой характеристики. Сложность состоит в том, что качественные шкалы для разных сред и методик различны. В этом случае задача нормирования сложных оценок сводится к приведению таких шкал к нормированной .

В программной системе реализованы алгоритмы получения качественных оценок по результатам контрольных измерений, учитывающие существующие стандартные методики для воздушной и водной сред (рис. 6). Осуществлено приведение различных качественных шкал к нормированной.

Рис. 6. Оценка состояния водной среды.

В силу малочисленности данных химического анализа часто, наряду с результатами контрольных измерений, используются результаты обследований, опросов и экспертных оценок. В программной системе создан модуль, реализующий получение и обработку экспертных оценок.

При обработке результатов обследований значение каждой величины, также как результаты контрольных измерений, определяет степень загрязненности объекта и может быть связано с нормированными характеристиками объекта. Результаты обработки экспертных оценок суммируются в нормированной шкале. При этом оценка, соответствующая каждому признаку, должна быть приведена к нормированной характеристике å р k =1. Результаты имеют географическую привязку и могут быть нанесены на карту (рис. 7).

Рис. 7. Экспертные оценки.

Комплексная оценка состояния объектов ОПС получается в результате объединения данных разного типа (результатов контрольных измерений в разных средах, результатов моделирования, обследования и экспертных оценок). При этом задача объединения превращается в задачу суммирования характеристик различных оценок в нормированной качественной шкале.

Следует учитывать, что если комплексная оценка определяется на основе объединения большого числа оценок, имеющих различное распределение в нормированной шкале, то в результате объединения таких оценок велика вероятность получить равномерное распределение, при котором невозможно вынести суждение о качественной оценке состояния объекта.

В связи с этим предлагается использовать следующий метод объединения однотипных оценок. Для каждой группы оценок, собранных, например, по средам (воздух, вода, почва) или по виду их получения (контрольные измерения, экспертные оценки, результаты моделирования) следует производить сортировку в соответствии с максимальным значением каждого качества и выбирать наиболее критичные оценки. При этом, в зависимости от поставленной задачи, алгоритм выбора критических оценок также может быть различным. Например, для оценки аварийной ситуации следует выбирать показатели, у которых максимум оценки принимает значение ЗВН (значительно выше нормы), для обычных условий следует выбирать показатели, имеющие максимум в диапазоне от Н (норма) до ЗВН.

Сложные оценки состояния объектов окружающей природной среды могут быть получены путем объединения разнотипных данных, например, результатов контрольных измерений и визуального обследования прибрежной территории. При формировании таких оценок необходимо учитывать важность каждой используемой характеристики.

Такие оценки представляют собой комплексную характеристику, полученную путем суммирования простых оценок с учетом их свойств в пределах групп воздействия, то есть:

где: * - оператор суммирования, x i * - простая оценка, входящая в множество важных характеристик I s , p дi - оценка степени доверия и g уi - оценка степени участия x i * .

Степень доверия характеризует надежность используемой оценки и зависит от способа ее получения. Степень участия определяет вес используемой характеристики при формировании сложной оценки качества объекта экосистемы. Использование коэффициента участия исключает возможность получения равновероятной характеристики результата в случае суммирования большого числа характеристик и позволяет эксперту получать различные оценки в зависимости от поставленной задачи.

Комплексная оценка состояния объектов ОПС представляет собой характеристику, полученную путем суммирования простых и сложных оценок с учетом их свойств

где: * - оператор суммирования, x i * - простая оценка, входящая в множество важных характеристик I 0 , S i * - сложная оценка, полученная на основании использования стандартных методик объединения однотипных данных или согласно формуле (2) для данных разного типа.

Информационная среда получения комплексной оценки обеспечивает объединение и использование распределенной информации, а ГИС технология – ее обработку в соответствии с географической или административной привязкой (рис. 8).

Рис. 8. Информационная среда получения комплексной оценки.

Для формирования сложных оценок на основании однотипных данных выбирается соответствующий слой (с необходимым районом и параметрами) и осуществляется обработка данных в соответствии со стандартными методиками. В случае, когда сложная оценка получается при суммировании данных разного типа, формируется проект из нескольких слоев. Каждому слою назначается коэффициент участия и формируются сложные оценки. Получаемые сложные оценки также являются слоем ГИС. Путем формирования проектов из простых и сложных оценок, а также результатов моделирования, могут быть получены оценки по средам (воздух, вода, почва и т.д.), которые также являются слоями ГИС. Объединив в единый проект оценки по средам, мы получим комплексную оценку состояния объекта на основании разнородных данных.

3. Использование ГИС-технологий для решения проблем охраны окружающей среды в нефтегазовой отрасли

Осознавая потенциальную экологическую опасность предприятий нефтегазового комплекса, в частности российские нефтяные компании провозгласили в качестве одного из приоритетов сохранение экологического равновесия в зонах деятельности своих предприятий. Однако для реального улучшения экологического состояния на территории деятельности нефтегазового комплекса (НГК) требуются громадные инвестиции в технологический комплекс нефтедобычи, в первую очередь, для внедрения природоохранных технологий. В связи с этим для оптимизации экономических затрат предприятий НГК могут быть успешно применены современные средства геоинформационных технологий. Ниже излагается опыт, накопленный в Томском научном центре СО РАН в разработке и использовании ГИС для компьютерного выбора экологически приемлемых природоохранных технологий на основе анализа состояния окружающей среды .

Разработанная ГИС включает следующие компоненты:

· база данных об экологическом состоянии,

· база данных о природоохранных технологиях,

· комплекс программных средств анализа состояния территории и выбора природоохранных технологий.

Задача комплексного анализа состояния окружающей природной среды и выбора на основе этого анализа природоохранных технологий направлена на достижение нормативного качества природной среды. Программный комплекс анализа состояния окружающей среды позволяет выявлять территориальные зоны загрязнения и прогнозировать динамику изменения границ этих зон на основе анализа сценариев экономического развития предприятий. Результаты расчетов зон загрязнения воздуха наглядно иллюстрируются на компьютерных картах (рис.9) с помощью средств ГИС. При этом для расчета величин приземной концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе, содержащихся в выбросах предприятий, использована известная методика ОНД-86. Расчет производится для наиболее неблагоприятных метеорологических условий. Исходными данными для прогноза загрязнения атмосферы и определения зон повышенного загрязнения служили экологические паспорта предприятий и другие информационные материалы природоохранных органов .

Рис.9. Прогноз увеличения площади зоны загрязнения воздуха от сжигания попутного газа в факелах с ростом объемов добычи.

Разработанные средства ГИС - технологий позволяют достигать нормативного качества природной среды на территории деятельности нефтегазового комплекса с помощью моделирования изменений в ее состоянии за счет применения современных природоохранных технологий, выбираемых из базы данных ГИС. Следовательно, применение ГИС-технологий позволяет выбирать экологически приемлемые и экономически целесообразные природоохранные технологии на основе комплексного анализа загрязнения воды, воздуха и почвы. Ниже (рис.10) приведен пример компьютерного моделирования, который иллюстрирует возможность выбора из базы данных ГИС подходящих технологий очистки сточных вод с целью улучшения качества речной воды на территории нефтяных месторождений .

Рис.10. Исходное состояние загрязнения рек на территории нефтяных месторождений сбросами сточных вод.

Перспективы расширенного применения ГИС- технологий для решения комплексных проблем охраны окружающей среды в нефтегазовой отрасли связаны с развитием предлагаемого подхода к улучшению экологического состояния территории на основе использования аэрокосмической информации.

Заключение

Таким образом можно смело утверждать, что ГИС имеет определенные характеристики, которые с полным правом позволяют считать эту технологию основной для целей обработки и управления информацией. С появлением ГИС возможность решения такой задачи как анализ дистанционных данных для их полноценного использования в повседневной жизни, стала реальностью, так как эта технология позволяет собрать воедино и проанализировать различную, на первый взгляд мало связанную между собой информацию, получить основанный на массовом фактическом материале обобщенный взгляд на него, количественно и качественно проанализировать взаимные связи между характеризующими его параметрами и происходящими в нем процессами. ГИС с успехом используется для наблюдения состояния окружающей среды, а также для создания карт основных параметров окружающей среды.

Разработанная на базе ArcGIS ArcInfo 9.1 геоинформационная система комплексной оценки, моделирования и прогнозирования служит основой для построения многоуровневых информационно-измерительные систем (ИИС) и может быть использована при проектировании территорий и для принятия управляющих решений по охране окружающей среды и рациональному природопользованию.

Перспективы расширенного применения ГИС-технологий для решения комплексных проблем охраны окружающей среды в различных отраслях связаны с развитием предлагаемого подхода к улучшению экологического состояния территории на основе использования информации полученной с помощью современных технологий, в частности с помощью аэрокосмической информации.

Литература

1. Алексеев В.В., Куракина Н.И. ИИС мониторинга. Вопросы комплексной оценки состояния ОПС на базе ГИС // журнал ГИС-Обозрение.-2000.-№19.

2. Алексеев В.В., Гридина Е.Г., Кулагин В.П., Куракина Н.И. Оценка качества сложных объектов на базе ГИС // Сборник трудов Международного симпозиума "Надежность и качество 2003". - Пенза 2003.

3. Алексеев В.В., Куракина Н.И., Желтов Е.В. Система моделирования распространения загрязняющих веществ и оценки экологической ситуации на базе ГИС // журнал "Информационные технологии моделирования и управления", №5(23), Воронеж, 2005.

4. Алексеев В.В., Куракина Н.И., Орлова Н.В., Геоинформационная система мониторинга водных объектов и нормирования экологической нагрузки // журнал ArcReview.-2006.-№1(36).

5. Алексеев В.В., Гридина Е.Г., Куракина Н.И. Вопросы обеспечения единства измерений при формировании комплексных оценок // Сборник трудов Международного симпозиума "Надежность и качество 2005". - Пенза 2005.

6. Издание Дата+ ArcReview. - http://www.dataplus.ru.

Опыт комплексных географических исследований и системного тематического картографирования позволил геоинформационному картографированию занять ведущие позиции в развитии картографической науки и производства.

Сопоставление разновременных и разнотематических карт позволяет перейти к прогнозам на основе выявленных взаимосвязей и тенденций развития явлений и процессов. Прогноз по картам позволяет прогнозировать и современные, но еще не известные явления, например, прогнозы погоды или неизвестные полезные ископаемые.

В основе прогноза лежат картографические экстраполяции, трактуемые как распространение закономерностей, полученных в ходе картографического анализа какого-либо явления, на неизученную часть этого явления, на другую территорию или на будущее время. Картографические экстраполяции, как и любые другие (математические, логические), не универсальны. Их достоинство в том, что они хорошо приспособлены для прогнозирования и пространственных, и временных закономерностей. В практике прогнозирования по картам широко применяют также известные в географии методы аналогий, индикации, экспертные оценки, расчет статистических регрессий и др.

Литература:

1. Трифонова Т.А., Мищенко Н.В., Краснощеков А.Н. Геоинформационные системы и дистанционное зондирование в экологических исследованиях: Учебное пособие для вузов. - М., 2005. – 352 с.

2. Стурман В.И. Экологическое картографирование: Учебное пособие. – Москва, 2003.

Тема 14. Содержание и методы составления экологических карт. План:

1. Картографирование атмосферных проблем.

2. Картографирование загрязнения вод суши.

3. Качественные и количественные оценки экологических ситуаций.

1. Картографирование атмосферных проблем

Атмосфера как наиболее динамичная среда характеризуется сложной пространственно-временной динамикой уровней содержания примесей. В каждый данный момент времени уровень загрязненности атмосферы над некоторой территорией или в той или иной точке определяется балансом по отдельным поллютантам и их совокупности. В приходной части баланса находятся:

♦ поступление загрязняющих веществ от совокупности техногенных и естественных источников в пределах рассматриваемой территории;

♦ поступление загрязняющих веществ от источников за пределами рассматриваемой территории, в том числе отдаленных (дальний перенос);

♦ образование загрязняющих веществ в результате вторичных химических процессов, протекающих в самой атмосфере.

В расходной части баланса находятся:

♦ вынос загрязняющих веществ за пределы рассматриваемой территории;

♦ осаждение загрязняющих веществ на земную поверхность;

♦ разрушение загрязняющих веществ в результате процессов самоочищения.

Факторы интенсивности осаждения и самоочищения для разных веществ в значительной степени совпадают. Поэтому концентрации разных веществ обычно меняются относительно согласованно, подчиняясь одним и тем же временным и пространственным закономерностям.

Поступление загрязняющих веществ от естественных и техногенных пылящих источников усиливается при усилении ветра (в сочетании с наличием незакрепленных поверхностей), при вулканических процессах.

Таким образом, картографирование загрязнения атмосферы складывается из:

♦ картографирования потенциала загрязнения атмосферы;

♦ картографирования источников загрязнения;

♦ картографирования уровней загрязнения.

Экологические проблемы часто требуют незамедлительных и адекватных действий, эффективность которых напрямую связана с оперативностью обработки и представления информации. При комплексном подходе, характерном для экологии, обычно приходится опираться на обобщающие характеристики окружающей среды, вследствие чего, объемы даже минимально достаточной исходной информации, несомненно, должны быть большими. В противном случае обоснованность действий и решений вряд ли может быть достигнута. Однако простого накопления данных тоже, к сожалению, недостаточно. Эти данные должны быть легко доступны, систематизированы в соответствии с потребностями. Хорошо, если есть возможность связать разнородные данные друг с другом, сравнить, проанализировать, просто просмотреть их в удобном и наглядном виде, например, создав на их основе необходимую таблицу, схему, чертеж, карту, диаграмму. Группировка данных в нужном виде, их надлежащее изображение, сопоставление и анализ целиком зависят от квалификации и эрудированности исследователя, выбранного им подхода интерпретации накопленной информации. На этапе обработки и анализа собранных данных существенное, но отнюдь не первое, место занимает техническая оснащенность исследователя, включающая подходящие для решения поставленной задачи аппаратные средства и программное обеспечение. В качестве последнего во всем мире все чаще применяется современная мощная технология географических информационных систем.

ГИС имеет определенные характеристики, которые с полным правом позволяют считать эту технологию основной для целей обработки и управления информацией. Средства ГИС намного превосходят возможности обычных картографических систем, хотя естественно, включают все основные функции получения высококачественных карт и планов. В самой концепции ГИС заложены всесторонние возможности сбора, интеграции и анализа любых распределенных в пространстве или привязанных к конкретному месту данных. Если необходимо визуализировать имеющуюся информацию в виде карты, графика или диаграммы, создать, дополнить или видоизменить базу данных, интегрировать ее с другими базами - единственно верным путем будет обращение к ГИС. В традиционном представлении возможные пределы интеграции разнородных данных искусственно ограничиваются. Близким к идеалу считают, например, возможность создания карты урожайности полей путем объединения данных о почвах, климате и растительности. ГИС позволяет пойти значительно дальше. К вышеприведенному набору данных можно добавить демографическую информацию, сведения о земельной собственности, благосостоянии и доходах населения, объемах капитальных вложений и инвестиций, зонировании территории, состоянии хлебного рынка и т.д. В результате появляется возможность напрямую определить эффективность запланированных или проводящихся мероприятий по сохранению природы, их влияние на жизнь людей и экономику сельского хозяйства. Можно пойти еще дальше и, добавив данные о распространении заболеваний и эпидемий, установить, есть ли взаимосвязь между темпами деградации природы и здоровьем людей, определить возможность возникновения и распространения новых заболеваний. В конечном счете, удается достаточно точно оценить все социально-экономические аспекты любого процесса, например, сокращения площади лесных угодий или деградации почв.

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 об 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.

Землевладение. ГИС широко применяются для составления и ведения разнообразных, в том числе земельных, кадастров. С их помощью удобно создавать базы данных и карты по земельной собственности, объединять их с базами данных по любым природным и социально-экономическим показателям, накладывать соответствующие карты друг на друга и создавать комплексные (например, ресурсные) карты, строить графики и разного вида диаграммы. геоинформационная мониторинг загрязнение картография

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, таких как регулирование выпаса скота и прогнозирование продуктивности земельных угодий. Такие задачи ГИС решает на научной основе, то есть выбираются решения, обеспечивающие минимальный уровень воздействия на дикую 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 дикой 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 предпринятых мероприятий, оценки их успешности, выявления проблем и поиска путей по их преодолению.

Экологическое образование. Поскольку создание бумажных карт с помощью ГИС значительно упрощается и удешевляется, появляется возможность получения большого количества разнообразных природных 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.

В управлении землепользованием и в ведении городского хозяйства одним из основных видов продукции является информация (в том чис­ле картографическая), получаемая на основе имеющихся данных. При решении экологических задач с помощью ГИС акцент на продукцию несколько иной. В ходе экологического наблюдения (мониторинга) осу­ществляют сбор и совместную обработку данных, относящихся к раз­личным природным средам, моделирование и анализ экологических про­цессов и тенденций их развития, а также использование данных при при­нятии решений по управлению качеством окружающей среды.

Результат экологического исследования, как правило, представляет оперативные данные трех типов:констатирующие (измеренные пара­метры состояния экологической обстановки в момент обследования), оценочные (результаты обработки измерений и получение на этой ос­нове оценок экологической ситуации),прогнозные (прогнозирующие развитие обстановки на заданный период времени).

Из этого следует, что в экологических ГИС применяются в первую очередь динамические модели. В силу этого большую роль в них игра­ют технологии создания электронных карт.

Совокупность всех перечисленных трех типов данных составляет основу экологического мониторинга.

Особенностью представления данных в системах экологического мониторинга является то, что на экологических картах в большей степе­ни представлены ареальные геообъекты, чем линейные.

Относительно цифрового моделирования принципиальным следует считать использование цифровых моделей типа цифровая модель явле­ния, поле и т.п.

На уровне сбора наряду с топографическими характеристиками дополнительно определяются параметры, характеризующие экологичес­кую обстановку. Это увеличивает объем атрибутивных данных в эколо­гических ГИС по сравнению с типовыми ГИС. Соответственно возрас­тает роль семантического моделирования.

На уровне моделирования используют специальные методы расчета параметров, характеризующих экологическое состояние среды и определяющих форму представления цифровых карт.

На уровне представления при экологических исследованиях осуществляют выдачу не одной, а, как правило, серии карт, особенно при прогнозировании явлений. В некоторых случаях карты выдаются с применением методов динамической визуализации, что довольно часто можно наблюдать при метеопрогнозах, показываемых по телевидению.

В качестве примера рассмотрим систему экологического монито­ринга, создаваемую для Москвы". Объектами мониторинга Москвы яв­ляются: атмосферный воздух, поверхностные и подземные воды, почва, зеленые насаждения, радиационная обстановка, среда обитания и со­стояние здоровья населения.

Большое число организаций (федеральных, муниципальных, ведом­ственных) в Москве занимаются независимо друг от друга сбором дан­ных о состоянии параметров объектов окружающей среды. Производится контроль состава атмосферного воздуха, количества выбросов промыш­ленных предприятий и автотранспорта, качества поверхностных и под­земных вод и т. д. Эти работы выполняют различные организации - от ГАИ до санэпидемстанций. Недостатки существующего порядка сбора экологических данных - разрозненность и бессистемность, ра­зобщенность городских природоохранных организаций и отсутствие ком­плексных оценок и прогнозов развития экологической обстановки.

Главная задача городского экомониторинга - получение комплекс­ной оценки экологической ситуации в городе на базе интеграции всех видов данных, поступающих от различных организаций. Интеграцион­ной основой множества данных, естественно, является карта. Следова­тельно, решение задач экомониторинга города неизбежно приводит к созданию и применению ГИС.

(‘Пупырев Е.И., Бутаков П.Д., Дронина Н.П. Роль и место геоинформаци­онных технологий в системе экомониторинга Москвы // ГИС - Обозрение. -Лето, 1995.-С. 34-36.)

Для этого объединяют существующие сети различных измерений и специализированные мониторинги природоохранных служб. Создание системы основано на внедрении современных средств контроля на базе единого информационного пространства.

Структура системы экомониторинга Москвы включает два уровня.

Нижний уровень системы включает:

Федеральные, городские и ведомственные подсистемы специали­зированных мониторингов (мониторинг атмосферы, поверхностных вод, здоровья населения, радиодогический мониторинг, мониторинг санитар­ной очистки территории города, мониторинг недр и подземных вод, почв, зеленых насаждений, акустический мониторинг, градостроительный мо­ниторинг);

Территориальные центры сбора и обработки данных, созданные на базе территориальных отделений Москомприроды.

Эти подсистемы обеспечивают сбор полной и по возможности каче­ственной информации о состоянии окружающей среды на всей террито­рии города. В локальных центрах проводятся также анализ информации и ее отбор для передачи на верхний уровень.

Территориальные центры обеспечивают сбор информации по источ­никам антропогенного загрязнения на территории административных округов и используют данные территориальных подразделений феде­ральных служб и городских хозяйственных организаций.

Верхний уровень системы экомониторинга составляет информа­ционно-аналитический центр. В задачи верхнего уровня системы входят:

Оперативная оценка экологической ситуации в городе;

Расчет интегральных оценок экологической ситуации;

Прогноз развития, экологической обстановки;

Подготовка проектов управляющих воздействий и оценка последствий принимаемых решений.

Очевидно, что информационная система экомониторинга Москвы имеет ярко выраженный распределенный характер. Поэтому она стро­ится на основе распределенной информационной сети.

Для эффективного использования накапливаемых данных необхо­димы комплексная обработка и совершенные методы моделирования и представления данных.

Геоинформационные системы являются оптимальным средством для представления и анализа пространственно - распределенных экологичес­ких данных.

Подсистема специализированных мониторингов охватывает ряд организаций (Москомзем, НПО "Радон", НИиПИ Генплана), имеющих инструментальные пакеты ГИС. Другие организации (Мослесопарк, МГЦСЭН) подобного программного обеспечения не имеют. Интегра­ция данных в единую систему происходит двумя путями:

На основе конвертирования форматов данных в единый для всей системы формат;

На основе выбора единого программного обеспечения ГИС. Программный комплекс, разрабатываемый АО "Прима", обеспечи­вая решение задач территориальных отделений Москомприроды иди ко­митетов по охране природы крупных и средних городов, выполняет сле­дующие функции:

Формирование и ведение баз экологической информации по терри­ториям, предприятиям, средам (воздух, вода, почва);

Ведение базы данных нормативно-законодательных документов в области экологии;

Ведение базы данных нормативов содержания загрязняющих ве­ществ в воздухе, воде, почве и продуктах питания;

Ведение базы данных приборов экологического контроля.

Кроме ведения баз данных предусмотрены работы по моделирова­нию и получению тематических карт. В частности, в системе произво­дятся следующие виды расчетов: расчет платежей за использование при­родных ресурсов и расчет полей концентрации загрязняющих веществ в атмосфере, воде и почве.

Система экологического мониторинга предусматривает обмен данными между его участниками. Поэтому одним из главных требо­ваний, предъявляемых к программному обеспечению всех подсистем, является возможность конвертирования файлов данных в стандарт­ные форматы (dbf для файлов баз данных и DXF для графических файлов).

При создании системы экомониторинга Москвы использовалась еди­ная система координат для всех подразделений экомониторинга. Все геоинформационные (включая экологические) данные должны иметь единую координатную привязку, и тогда при обмене информацией в циф­ровом виде не возникает никаких проблем.

Масштабы карт, на которых работают разные подсистемы экомо­ниторинга, могут быть различными: от 1: 2 000 для территориаль­ных отделений Москомприроды до 1: 38 000 для верхнего уровня системы.

В организации экомониторинга Москвы геоинформационные тех­нологии составляют основу, поскольку они обеспечивают решение за­дач экологического мониторинга Москвы.