Гис в экологии. Курсовая работа: Геоинформационные системы в охране окружающей среды

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.

геоинформационная технология экология природопользование

Географические информационные системы (ГИС) появились в 60-х годах XX века как инструменты для отображения географии Земли и расположенных на ее поверхности объектов. Сейчас ГИС представляют собой сложные и многофункциональные инструменты для работы с данными о Земле.

Возможности, предоставляемые пользователю ГИС:

работа с картой (перемещение и масштабирование, удаление и добавление объектов);

печать в заданном виде любых объектов территории;

вывод на экран объектов определенного класса;

вывод атрибутивной информации об объекте;

обработка информации статистическими методами и отображение результатов такого анализа непосредственным наложением на карту

Так, с помощью ГИС специалисты могут оперативно спрогнозировать возможные места разрывов трубопроводы, проследить на карте пути распространения загрязнений и оценить вероятный ущерб для природной среды, вычислить объем средств, необходимых для устранения последствий аварии. С помощью ГИС можно отобрать промышленные предприятия, осуществляющие выбросы вредных веществ, отобразить розу ветров и грунтовые воды в окружающей их местности и смоделировать распространение выбросов в окружающей среде.

В 2004г. президиумом Российской академии наук было принято решение о проведении работ по программе «Электронная Земля», суть которой заключается в создании многопрофильной геоинформационной системы, характеризующей нашу планету, практически - цифровой модели Земли.

Зарубежные аналоги программы «Электронная Земля» можно подразделить на локальные (централизованные, данные хранят на одном сервере) и распределенные (данные хранятся и распространяются различными организациями на разных условиях).

Безусловным лидером в создании локальных баз данных является ESRI (Environmental Systems Research Institute, Inc., США) Сервер ArcAtlas “Our Earth” содержит более 40 тематических покрытий, которые широко используются во всем мире. Практически все картографические проекты масштаба 1:10 000 000 и более мелких масштабов создаются с его использованием.

Наиболее серьезным проектом по созданию распределенной базы данных является «Цифровая Земля» (Digital Earth). Этот проект был предложен вице-президентом США Гором в 1998г., основным исполнителем является NASA. В проекте участвуют министерства и государственные ведомства США, университеты, частные организации, Канада, Китай, Израиль и Европейский союз. Все проекты распределенных баз данных испытывают серьезные трудности в вопросах стандартизации метаданных и совместимости отдельных ГИС и проектов, созданных разными организациями с применением разного программного обеспечения.

Деятельность человека постоянно связана с накоплением информации об окружающей среде, ее отбором и хранением. Информационные системы, основное назначение которых - информационное обеспечение пользователя, то есть предоставление ему необходимых сведений по конкретной проблеме или вопросу, помогают человеку решать задачи быстрее и качественнее. При этом одни и те же данные могут использоваться при решении разных задач и наоборот. Любая информационная система предназначена для решения некоторого класса задач и включает в себя как хранилище данных, так и средства для реализации различных процедур.

Информационное обеспечение экологических исследований реализуется главным образом за счет двух информационных потоков:

информация, возникшая при проведении экологических исследований;

научно-техническая информация по мировому опыту разработки экологических проблем по различным направлениям.

Общей целью информационного обеспечения экологических исследований является изучение информационных потоков и подготовка материалов для принятия решений на всех уровнях управления в вопросах выполнения экологических исследований, обоснования отдельных научно-исследовательских работ, а также распределения финансирования.

Поскольку объектом описания и изучения является планета Земля, и экологическая информация имеет общие черты с геологической, то перспективно построение географических информационных систем для сбора, хранения и обработки фактографической и картографической информации:

о характере и степени экологических нарушений естественного и техногенного происхождения;

об общих экологических нарушениях естественного и техногенного происхождения;

об общих экологических нарушениях в определенной сфере человеческой деятельности;

о недроиспользовании;

об экономическом управлении определенной территорией.

Географические информационные системы рассчитаны, как правило, на установку и подключение большого количества автоматизированных рабочих мест, располагающих собственными базами данных и средствами вывода результатов. Экологи на автоматизированном рабочем месте на основе пространственно привязанной информации может решить задачи различного спектра:

анализ изменения окружающей среды под влиянием природных и техногенных факторов;

рациональное использование и охрана водных, земельных, атмосферных, минеральных и энергетических ресурсов;

снижение ущерба и предотвращение техногенных катастроф;

обеспечение безопасного проживания людей, охрана их здоровья.

Все потенциально экологически опасные объекты и сведения о них, о концентрации вредных веществ, допустимых нормах и т.д. сопровождаются географической, геоморфологической, ландшафтно-геохимической, гидрогеологической и другими типами информации. Рассеянность и нехватка информационных ресурсов в экологии легла в основу разработанных ИГЕМ РАН аналитических справочно-информационных систем (АСИС) по проектам в области экологии и охраны окружающей среды на территории Российской Федерации АСИС «ЭкоПро», а также разработка автоматизированной системы для Московской области, призванной осуществить ее экомониторинг. Разница задач обоих проектов обуславливается не только территориальными границами (в первом случае это территория всей страны, а во втором непосредственно Московская область), но и по областям применения информации. Система «ЭкоПро» предназначена для накопления, обработки и анализа данных об экологических проектах прикладного и исследовательского характера на территории РФ за иностранные деньги. Система мониторинга Московской области призвана служить источником информации об источниках и реальном загрязнении окружающей среды, предотвращения катастроф, экологических мероприятиях в области охраны окружающей среды, платежах предприятий на территории области в целях экономического управления и контроля со стороны государственных органов. Так как информация по природе своей обладает гибкостью, то можно сказать, что и та, и другая система, разработанная ИГЕМ РАК может использоваться как с целью проведения исследований, так и для управления. То есть задачи двух систем могут переходить одна в другую.

В качестве более частного примера базы данных, хранящей информацию по охране окружающей среды, можно привести работу О.С. Брюховецкого и И.П. Ганина «Проектирование базы данных по методам ликвидации локальных техногенных загрязнений в массивах горных пород». В ней рассматривается методология построения такой базы данных, дается характеристика оптимальных условий ее применения.

При оценке чрезвычайных ситуаций информационная подготовка занимает 30-60% времени, а информационные системы в состоянии быстро предоставить информацию и обеспечить нахождение эффективных методов урегулирования. В условиях чрезвычайной ситуации решения не могут быть смоделированы в явном виде, однако основой для их принятия может служить большой объем разнообразной информации, хранимой и передаваемой базой данных. По предоставленным результатам управленческий персонал на основе своего опыта и интуиции принимает конкретные решения.

Моделирование процессов принятия решений становится центральным направлением автоматизации деятельности лица, принимающего решения (ЛПР). К задачам ЛПР относится принятие решений в геоинформационной системе. Современную геоинформационную систему можно определить как совокупность аппаратно-программных средств, географических и семантических данных, предназначенную для получения, хранения, обработки, анализа и визуализации пространственно-распределенной информации. Экологические геоинформационные системы позволяют работать с картами различных экологических слоев и автоматически строить аномальную зону по заданному химическому элементу. Это достаточно удобно, так как эксперту-экологу не нужно в ручную рассчитывать аномальные зоны и производить их построение. Однако, для полного анализа экологической обстановки эксперту-экологу требуется распечатывать карты всех экологических слоев и карты аномальных зон для каждого химического элемента. Берштейн Л.С., Целых А.Н. Гибридная экспертная система с вычислительным модулем для прогноза экологических ситуаций. Труды международного симпозиума “Интеллектуальные системы - ИнСис - 96”, г.Москва, 1996г.В геоинформационной системе построение аномальных зон производилось для тридцати четырех химических элементов. Сначала он должен получить сводную карту загрязнения почвы химическими элементами. Для этого путем последовательного копирования на кальку со всех карт, строится карта загрязнения почвы химическими элементами Алексеенко В.А. Геохимия ландшафта и окружающая cреда. - М.:Недра, 1990. -142с.:ил.. Затем полученную карту таким же образом сопоставляют с картами гидрологии, геологии, геохимических ландшафтов, глин. На основании сопоставления строится карта качественной оценки опасности окружающей среды для человека. Таким образом осуществляется мониторинг окружающей среды. Этот процесс требует много времени и высокой квалификации эксперта, для того, чтобы точно и объективно оценить обстановку. При таком большом объеме информации, одновременно, обрушивающейся на эксперта могут возникать ошибки. Поэтому возникла необходимость в автоматизации процесса принятия решений. Для этого существующая геоинформационная система была дополнена подсистемой принятия решений. Особенностью разработанной подсистемы является то, что одна часть данных с которыми работает программа, представлена в виде карт. Другая часть данных обрабатывается и на их основе строится карта, которая затем также подлежит обработке. Для реализации системы принятия решений был избран аппарат теории нечетких множеств. Это вызвано тем, что с помощью нечетких множеств можно создавать методы и алгоритмы способные моделировать приемы принятия решений человеком в ходе решения различных задач. В качестве математической модели слабоформализованных задач выступают нечеткие алгоритмы управления, позволяющие получать решение хотя приближенные, но не худшие, чем при использовании точных методов. Под нечетким алгоритмом управлению будем понимать упорядоченную последовательность нечетких инструкций (могут иметь место и отдельные четкие инструкции), обеспечивающую функционирование некоторого объекта или процесса. Методы теории нечетких множеств позволяют, во-первых, учитывать различного рода неопределенности и неточности, вносимые субъектом и процессами управления, и формализовать словесную информацию человека о задаче; во-вторых, существенно уменьшить число исходных элементов модели процесса управления и извлечь полезную информацию для построения алгоритма управления. Сформулируем основные принципы построения нечетких алгоритмов. Нечеткие инструкции, используемые в нечетких алгоритмах, формируются или на основе обобщения опыта специалиста при решении рассматриваемой задачи, или на основе тщательного изучения и содержательного ее анализа. Для построения нечетких алгоритмов учитываются все ограничения и критерии, вытекающие из содержательного рассмотрения задачи, однако полученные нечеткие инструкции используются не все: выделяются наиболее существенные из них, исключаются возможные противоречия и устанавливается порядок их выполнения, приводящий к решению задачи. С учетом слабоформализованных задач существуют два способа получения исходных нечетких данных - непосредственный и как результат обработки четких данных. В основе обоих способов лежит необходимость субъективной оценки функций принадлежности нечетких множеств.

Логическая обработка данных проб почвы и построение сводной карты загрязнения почвы химическими элементами.

Программа являлась развитием уже существующей версии программы “ТагЭко”, дополняет существующую программу новыми функциями. Для работы новых функций необходимы данные содержащиеся в предыдущей версии программы. Этим обусловлено использование методов доступа к данным разработанных в предыдущей версии программы. Используется функция для получения информации, хранящейся в базе данных. Это необходимо для получения координат каждой точки пробы, хранящейся в базе данных. Также используется функция для расчета величины аномального содержания химического элемента в ландшафте. Таким образом через эти данные и эти функции происходит взаимодействие предыдущей программы с подсистемой принятия решений. В случае изменения в базе данных значения пробы или координат пробы это будет автоматически учитываться в подсистеме принятия решений. Необходимо отметить, что при программировании используется динамический стиль выделения памяти и данные хранятся в виде односвязных, либо двусвязных списков. Это обусловлено тем, что заранее неизвестно количество проб или количество участков поверхности на которые будет разбита карта.

Построение карты качественной оценки влияния окружающей среды на человека.

Построение карты происходит согласно алгоритму, описанному выше. Пользователь указывает интересующую его область, а также шаг с которым будет производиться анализ карт. Перед началом обработки данных производится считывание информации из WMF файлов и формирование списков, элементами которых являются указатели на полигоны. Для каждой карты составляется свой список. Затем после формирования списков полигонов производится формирование карты загрязнения почвы химическими элементами. По окончании формирования всех карт и ввода исходных данных формируются координаты точек, в которых будет производиться анализ карт. Данные, получаемые функциями опроса заносятся в специальную структуру. Завершив формирование структуры программа производит ее классификацию. Каждая точка сетки опроса получает номер эталонной ситуации. Этот номер с указанием номера точки заносится в двусвязный список, чтобы потом можно было бы построить карту графически. Специальная функция анализирует этот двусвязный список и производит графическое построение изолиний вокруг точек, имеющих одинаковые классификационные ситуации. Она считывает точку из списка и анализирует значение номера ее ситуации с номерами соседних точек, и в случае совпадения объединяет рядом расположенные точки в зоны. В результате работы программы вся территория г.

Таганрога окрашивается в один из трех цветов. Каждый цвет характеризует качественную оценку экологической обстановки в городе. Так красный цвет указывает на “особо опасные участки”, желтый на “опасные участки”, зеленый на “безопасные участки”. Таким образом информация представляется в доступной для пользователя и удобной для восприятия форме. Берштейн Л.С., Целых А.Н. Гибридная экспертная система с вычислительным модулем для прогноза экологических ситуаций. Труды международного симпозиума “Интеллектуальные системы - ИнСис - 96”, г.Москва, 1996г.

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 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). Совокупность перечисленных 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.

В экологических ГИС применяются в первую очередь динамические модели, в которых большую роль играют технологии создания электронных карт.

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

На уровне сбора информации 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 серии карт, особенно при прогнозировании явлений. В некоторых случаях карты выдаются с применением методов динамической визуализации, что можно наблюдать при метеопрогнозах, показываемых по телевидению.

Например, объектами мониторинга города являются атмосферный воздух, поверхностные и подземные воды, почва, зеленые насаждения, радиационная обстановка, среда обитания и состояние здоровья населения.

Большое число организаций (федеральных, муниципальных, ведомственных) 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. Недостатками существующего порядка сбора экологических данных являются бессистемность, разрозненность, 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 является карта. Следовательно, решение задач экомониторинга города неизбежно приводит к применению ГИС. 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.

Геоинформационные системы являются оптимальным средством для представления и анализа пространственно-распределенных экологических данных, т.к. они могут обеспечить эффективное использование накапливаемых данных, комплексную их обработку и совершенные методы моделирования и представления. Структура такой системы может включать два уровня.

Нижний уровень системы экомониторинга:

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

§ территориальные центры сбора и обработки данных.

Эти подсистемы обеспечивают сбор полной и по возможности качественной информации о состоянии окружающей среды на всей территории города. В локальных центрах проводится также анализ информации и ее отбор для передачи на верхний уровень. Территориальные центры обеспечивают сбор информации по источникам антропогенного загрязнения на территории административных округов.

Верхний уровень системы экомониторинга составляет информационно-аналитический центр, в задачи которого 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.

Интеграция данных в единую систему происходит двумя путями:

1. на основе конвертирования форматов данных в единый для всей системы формат;

2. на основе выбора единого программного обеспечения ГИС.

Кроме ведения баз данных возможно моделирование и получение тематических карт. В системе может производиться расчет платежей за использование природных ресурсов, расчет полей концентрации загрязняющих веществ в атмосфере, воде, 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).

ГИС (географические информационные системы) позволяет рассматривать данные по анализируемым проблемам относительно их пространственных взаимоотношений, что позволяет проводить комплексную оценку ситуации и создает основу для принятия более точных и разумных решений в процессе управления. Объекты и процессы, описываемые в ГИС, являются частью повседневной жизни, и почти каждое принимаемое решение ограничивается, связывается или бывает продиктовано тем или иным пространственным фактором. На сегодняшний день возможность использования ГИС сочетается с потребностью в них, следствием чего является быстрый рост их популярности.

Роль и место ГИС в природоохранных мероприятиях

2.1. 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.

2.2. 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.

2.3. 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.

2.4. 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.

2.5. 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.

2.6. 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 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.

Система единого экологического мониторинга (ЕЭМ) является основным инструментом для решения проблем взаимодействия человека и окружающей среды, ресурсо- и энергосбережения, рационального природопользования, особенно в промышленно развитых районах с напряженной экологической обстановкой, для реализации концепции обеспечения экологической безопасности жизнедеятельности на глобальном, региональном и объектовом уровнях, имеющей много аспектов: от философских и социальных до медико-биологических, экономических и инженерно-технических. Центральным звеном системы ЕЭМ, во многом определяющим ее эффективное функционирование, является информационная система.
Рассмотрим принципы построения ГИС ЕЭМ для региона городского типа. Для реализации комплексного подхода к решению задачи обеспечения экологической безопасности она в общем случае должна содержать следующие взаимосвязанные структурные звенья: базы и банки данных экологической, правовой, медико-биологической, санитарно-гигиенической, технико-экономической направленностей; блок моделирования и оптимизации промышленных объектов; блок восстановления по данным измерений и прогноза распространения полей экологических и метеорологических факторов;
¦ блок принятия решений.
Для административных органов регионального управления можно выделить ряд функций, по которым возникает необходимость информационной поддержки принимаемых решений в области экологической безопасности жизнедеятельности населения, рационального энергопользования и энергосбережения. К таким функциям можно отнести: отчетность о результатах выполнения работ в рамках социально-экологического состояния региона и мерах по его улучшению; контроль текущего состояния окружающей среды, превышения предельно допустимых концентраций вредных и тому подобных веществ на подведомственной территории; планирование (годовое, квартальное) программ социального развития, изучения качества жизни населения, повышения экологической безопасности жизнедеятельности населения в регионе; управление в повседневной административной деятельности (разбор претензий, жалоб и конфликтов с юридическими и физическими лицами).
Для выполнения вышеперечисленных функций требуется полная и достоверная информация Потоки информации, необходимой для адекватной оценки складывающейся ситуации и принятия управляющих или корректирующих решений, проходят разные стадии: получение, обработка и отображение информации, оценка ситуации и принятие решений. Столь многофункциональная система с большими объемами географически привязанной информации может быть эффективно реализована только с применением рассмотренных выше современных геоинформационных технологий.
Комплексность экологических проблем, связывая воедино задачи, решаемые разными специалистами, требует системного подхода к их решению, проявляющегося в конкретных действиях специалистов каждой отрасли. Структура информационного обеспечения системы экологического мониторинга отражает эту специфику. По функциональному назначению его целесообразно разделить на проблемно-ориентированные блоки (или применительно к терминологии ГИС-слои) информации отдельных региональных служб, включая архитектурно-планировочные, коммунальные, инженерного обеспечения и др.
Информационное обеспечение системы ЕЭМ должно содержать следующие тематические слои информации (рис. 13.6). общая экологическая характеристика (атмосферный воздух, водоемы, почва, санитарно-эпидемиологические условия и др.); источники негативного воздействия на окружающую среду (выбросы и сбросы, твердые отходы и др.); зонирование территорий (объекты производственного назначения, селитебные территории, административные здания и др.); система охранных территорий (памятники истории и архитектуры, водоохранные зоны и др); инженерно-технические и транспортные коммуникации (магистрали наземного и подземного видов транспорта, теплотрассы, линии электропередачи и др); здравоохранение и социально-бытовые условия; нормативные и правовые документы, перспективы развития региона
Одним из важнейших элементов системы являются данные об объективном состоянии окружающей среды. Для примера рассмотрим структуру баз данных с показателями качества атмосферного

Рис 13 6 Тематическая информация в региональной системе ЕЭМ

воздуха. Состояние атмосферного воздуха характеризуется в первую очередь результатами экспериментального определения наличия в нем тех или иных загрязняющих веществ и их концентраций. Данная информация складывается из результатов периодического пробоотборного анализа, проводимого в регионе соответствующими государственными организациями (например, органами санитарно- эпидемиологического надзора), и данных, поступающих со стационарных постов непрерывных экологических наблюдений. Поэтому картографическая база данных по контролю атмосферы должна содержать полную информацию о местах контроля (адрес точек отбора проб), времени проведения замеров, погодных условиях в момент забора пробы, концентрации измерявшихся ингредиентов. На основе такой информации современные ГИС позволяют решать задачи интерполяции - восстановления непрерывных полей по дискретным данным, задачи комплексной оценки воздействия на экологическую ситуацию региона полей загрязнений различных ингредиентов и др.
Тематическая информация, касающаяся расположения и конфигурации основных источников загрязнения окружающей среды, должна быть представлена соответствующими электронными картами. В связанных с ними таблицах целесообразно хранить общие сведения о предприятиях региона (название, адрес, администрация и т.д.). Такие базы данных в совокупности с соответствующими картами позволяют получать ответы на следующие запросы: что представляет собой объект, выделенный на карте; где он расположен; какие объекты выбрасывают определенные вредные вещества; какие предприятия выбрасывают данное вредное вещество в объеме больше заданного; какие вещества выбрасывает данное предприятие и в каком объеме; какие предприятия превышают нормативы ПДВ; у какого предприятия просрочено действие разрешения на выброс; у какого предприятия задолженность по выплатам за выбросы в атмосферу.
Данные об инженерно-технических и транспортных коммуникациях должны храниться в ГИС ЕЭМ также в виде соответствующих карт и тематических баз данных. Следует отметить, что для инженерно-технических коммуникаций целесообразно иметь в базе данных и дополнительную графическую информацию в виде схем, чертежей и пояснительных документов, необходимых для их безопасной эксплуатации (ГИС предоставляет широкие возможности для работы с такой информацией).
В базах данных по транспортным магистралям должны содержаться такие экологические показатели, как интенсивность движения, спектр и объем вредных выбросов на единицу длины, виброа- кустические данные и др. Очевидно, что названные показатели изменяются на разных участках магистрали. Поэтому при картировании магистрали представляются в виде совокупности взаимосвязанных дуг, каждой из которых в базе данных ставятся в соответствие ее характеристики. В целом графические и тематические базы данных по транспортным магистралям должны обеспечивать выполнение запросов: какое количество заданного вредного вещества выбрасывается по всей длине транспортной магистрали, на какой магистрали выбрасывается максимальное количество определенного вредного вещества или всех веществ вместе; каково общее количество транспортных единиц, следующих по заданной магистрали или количество транспортных единиц заданного вида; какая магистраль (или участок какой магистрали) является наиболее нагруженной в транспортном отношении.
Изображение автомобильных магистралей на карте линиями различной ширины в зависимости от интенсивности движения транспорта по ним или объема выбросов загрязняющих веществ автомобилями на различных участках магистралей упрощает анализ транспортной ситуации, а одновременное использование базы данных позволяет получить любую интересующую пользователя информацию.
Дополнительные возможности для анализа экологической ситуации предоставляют оверлейные операции по наложению слоев информации в ГИС. Так, одновременный вывбд на экран полей концентрации оксида углерода, построенных по результатам ее измерений, и выбросов этого загрязнителя вдоль транспортных магистралей позволяет сделать вывод об источнике экологической опасности и принять соответствующие меры по ее устранению
Кроме распространенных баз данных в системе информационного обеспечения ЕЭМ особое значение имеет блок моделирования распределения полей концентрации загрязняющих веществ на основе общих показателей работы промышленных объектов или других источников загрязнения и степени их воздействия на ОС. Такие расчеты необходимы при анализе неблагополучной экологической ситуации в регионе для выявления ее виновников (вместе с анализом данных прямых измерений или вместо них, когда их получение не представляется возможным) или при прогнозировании экологической обстановки при вводе в действие или реконструкции тех или иных источников антропогенного воздействия на окружающую среду и определении размера затрат на уменьшение количества вредных выбросов в окружающую среду. Точность моделирования текущей ситуации в этом случае, как правило, невелика, но достаточна для выявления очагов загрязнения и выработки адекватного управляющего воздействия на технологическом и экономическом уровнях. В настоящее время существует ряд методик и самостоятельных программных средств (не входящих в состав ГИС), позволяющих определять поля концентраций загрязняющих веществ по результатам решения уравнений, описывающих с той или иной сте

пенью приближения рассеяние примесей в атмосфере или водной среде. В качестве нормативной для моделирования процессов в атмосфере утверждена методика ОНД-86.
Широкие интеграционные возможности ГИС позволяют использовать в качестве источников информации внешние специализированные расчетные модули и программные средства Поэтому их включение в состав ГИС ЕЭМ не вызывает особенных трудностей.
Таким образом, ГИС ЕЭМ позволяет эффективно реализовать комплексный подход к решению задач обеспечения экологической безопасности региона и создает единое информационное пространство для служб управления регионом.
ЛИТЕРАТУРА Цветков В Я Геоинформационные системы и технологии М Финансы и статистика, 1998 Бигаевский Л М, Вахромеева Л А Картографические проекции М Недра, 1992 Коновалова Н В, Капралов Е Г Введение в ГИС Петрозаводск Изд-во Петрозаводского университета, 1995 Разработка ГИС мониторинга лесных пожаров России иа основе ARC View CIS 30 и глобальной сети Internet / С А Барталев, А И Беляев, Д В Ершов и др / / ARC REVIEW (современные геоинформационные технологии) 1998 № 1 Озеров Ю, Сясин В ARC /INFO и ARC View в МЧС России // ARC REVIEW (современные геоинформационные технологии) 1997 № 2 Матросов А С Информационные технологии в системе управления отходами Учеб пособие М УРАО, 1999