Геоинформационные системы в экологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ, МОЛОДЁЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ

ДНЕПРОДЗЕРЖИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ В ЭКОЛОГИИ

студентки 3 курсу

гр. ЕК-10-1з

Набережной Т.И.

Днепродзержинск 2013

План

1. Целесообразность использования ГИС при решении проблем экологии

2. Роль и место ГИС в природоохранных мероприятиях

2.1 Деградация среды обитания

2.2 Загрязнение

2.3 Землевладение

2.4 Охраняемые территории

2.5 Неохраняемые территории

2.6 Восстановление среды обитания

2.7 Научные исследования и техническая поддержка

2.8 Сборники данных и публикации

2.9 Экологическое образование

2.10 Экотуризм

2.11 Мониторинг

3. ГИС в экологическом проектировании

4. Преимущества топологических ГИС (GRASS GIS). Интеграция GRASS GIS и Quantum GIS

5. Опыт применения свободных и открытых ГИС в процессе разработки раздела ПМООС

Выводы

Источники

Введение

С конца 70-х годов нашего столетия в мировой практике и науке стала усиленно развиваться технология по созданию систем для организации и хранения пространственных данных, получившая название “Географические информационные системы” (ГИС). Одновременно с развитием технологии развиваются и области ее применения. Учитывая их многообразие - от высококачественной картографии до планирования землеустройства, управления природными ресурсами, оценки и планирования состояния окружающей среды и т.д. можно с полной определенностью утверждать, что именно ГИС обещает стать одной из наиболее обширных сфер применения новых информационных технологий для решения задач управления.

В первую очередь, это связано с тем, что ГИС 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.

Одна из сфер применения ГИС - экология.

1. Целесообразность использования ГИС при решении проблем экологии

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, ихнадлежащее 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.

2. 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 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.

2.6 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.

2.7 Научные исследования и техническая поддержка

Функциональные интегральные возможности ГИС в наиболее явном виде проявляются и благоприятствуют успешному проведению совместных междисциплинарных исследований. Они обеспечивают объединение и наложение друг на друга любых типов данных, лишь бы их можно было отобразить на карте. К подобным исследованиям относятся, например, такие: анализ взаимосвязей между здоровьем населения и разнообразными (природными, демографическими, экономическими) факторами; количественная оценка влияния параметров окружающей среды на состояние локальных и региональных экосистем и их составляющих; определение доходов землевладельцев в зависимости от преобладающих типов почв, климатических условий, удаленности от городов и др.; выявление численности и плотности ареалов распространения редких и исчезающих видов растений в зависимости от высоты местности, угла наклона и экспозиции склонов.

2.8 Сборники данных и публикации

ГИС значительно упрощает процедуру публикации любых видов картографической продукции. С помощью встроенного языка программного обеспечения (например, ARC/INFO ARC Macro Language (AML)) можно написать программы автоматического создания любых типов печатных карт, графиков, диаграмм и таблиц. Кроме того, простые программные продукты (типа ArcView GIS) позволяют просматривать и напрямую оперировать с данными, содержащимися в базе данных ГИС любому, даже малоопытному, пользователю. При помощи таких простых и легко доступных программ любой пользователь имеет возможность считывать и распечатывать карты (записанные, например, на CD-ROM в формате ГИС ARC/INFO).

2.9 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.

2.10 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.

2.11 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.

3. ГИС в экологическом проектировании

В 2008 году впервые на уровне постановления Правительства РФ* была определена необходимость представлять в составе проектной документации не только текстовую, но и графические части.

В составе графической части для разных разделов проектной документации необходимо разрабатывать чертежи, схемы и другие документы. В графической части раздела проектной документации, содержащего перечень мероприятий по охране окружающей среды (далее - раздел ПМООС), должны быть представлены карты-схемы размещения объекта строительства, границы зон с особыми условиями использования территории, места обитаний животных и растений, занесенных в Красные книги РФ и субъектов РФ, контрольные пункты, посты, скважины, источники выбросов и сбросов, результаты расчетов рассеивания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе.

Наличие в составе проектной документации графической части предопределяет необходимость использования соответствующих программных средств для их создания. При разработке графической части раздела ПМООС работа в основном ведется с пространственно-координированными данными и для их достоверного представления, как правило, используют ГИС.

Несмотря на отличия между существующими ГИС-пакетами, оформление графической части раздела ПМООС представляет к ним ряд общих требований, необходимых для создания полноценного проекта:

· Возможность географической привязки картографических материалов: топографических карт (в т.ч. с нанесенными экспертами контурами).

· Нанесение контуров различных производственных объектов, представленных в виде текстовых таблиц с координатами точек перегибов (линии трасс, границы строительных сооружений, положение отдельных скважин и пр.)

· Возможность векторизации точечных, линейных и/или полигональных объектов, представляющих, как правило, некоторые экспертные данные (например, выделы растительности для карты-схемы местообитаний растений, занесенных в Красные книги).

· Редактирование атрибутивных таблиц с возможностью построения различных запросов по ним.

· Создание буферных зон (как правило, для отображения границ зон с особыми условиями использования, например - водоохранных зон, зон охраны источников питьевого водоснабжения).

· Задачи перепроецирования, а также экспорта/импорта для данных различных форматов (например, отображение контуров различных производственных объектов, полей рассеивания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, находящихся в сторонних форматах).

· Возможности графического оформления (хотя это уже не чисто геоинформационная, а, скорее, картографическая задача).

4. Преимущества топологических ГИС (GRASS GIS). Интеграция GRASS GIS и Quantum GIS

геоинформационный экология природоохранный топологический

Исходя из нашего опыта, многие из перечисленных задач довольно легко решаются средствами традиционных ГИС (напр., ArcGIS, MapInfo и др.). Однако большинству специалистов/пользователей ГИС знакомы проблемы при работе с площадными объектами: топологические конфликты (наложение/разделение) между границами смежных полигонов, возникающие на этапе редактирования (оцифровки), сложности при генерализации (упрощению/сглаживанию) границ смежных площадных объектов. Подобные ограничения, на наш взгляд, могут привести к недостаткам при создании проектной документации. Помимо возможных визуальных ошибок на картографических материалах, это может привести к ошибкам/неточностям при подсчете площадей выделов, учитываемых при разработке проекта. Например, определение площадей местообитаний при расчете ущерба объектам животного мира. Как показывает практика, величина этих ошибок невелика, но при несоблюдении аккуратности может быть вполне ощутима.

Эти проблемы решены в топологических ГИС. Яркий пример подобных ГИС -- свободная кросс-платформенная GRASS GIS, обладающая, помимо этого, широкими возможностями полнофункциональных ГИС.

Топологическая модель структуры векторных данных, используемая в GRASS GIS принципиально отличается от более привычной модели нетопологических shp-файлов: площадные объекты в GRASS GIS представлены не в виде замкнутых полигонов, а при помощи одной или более границ.

При редактировании граница между двумя смежными полигонами оцифровывается только один раз, но принадлежит обоим полигонам. Идентификация площади осуществляется при помощи центроидов (точечный объект, помещаемый в центр области). На рисунке 1 (а, б) представлены различия двух моделей данных.

Рис.1 Различия топологической (GRASS Vector) и нетопологической (Polygon shapefile) модели векторных данных (источник: http://grass.osgeo.org/wiki/Digitizing_Area_Features)

Преимущества топологической модели данных перед нетопологической при создании нового векторного слоя довольно очевидны, так как они позволяют проводить корректную оцифровку смежных полигонов (с сохранением топологических связей) без дополнительного редактирования, а также проводить дальнейший анализ, требующий соблюдения топологии. Однако для полноценного использования какого-либо ГИС-пакета для геоинформационного и картографического обеспечения разработки раздела ПМООС, ГИС-пакет должен отвечать минимальным требованиям, перечисленных выше.

Несмотря на то, что GRASS GIS является полнофункциональной настольной ГИС с графическим пользовательским интерфейсом, прямое использование этой ГИС для решения перечисленных задач кажется нам не совсем удобным. При этом интеграция GRASS GIS в качестве инструмента с другой известной свободной кросс-платформенной ГИС - Quantum GIS (или QGIS) представляет вполне приемлемые решения для всех основных геоинформационных задач экологического проектирования.

5. Опыт применения свободных и открытых ГИС в процессе разработки раздела ПМООС

Использование свободных и открытых ГИС, особенно для обеспечения относительно небольших проектов, представляется нам довольно перспективным, хотя и не лишенным своих недостатков. Общее сравнение функциональности открытых и коммерческих ГИС проводится постоянно. В настоящем обзоре представлена оценка использования QGIS с интегрированным модулем GRASS GIS на примере одного из наших проектов по разработке раздела ПМООС в составе проектной документации на строительство железнодорожного пути (табл.1).

QGIS - свободная ГИС с открытым кодом. Как любое открытое ПО, QGIS (вместе с подробной инструкцией по использованию) можно свободно скачать через Интернет, установить на любое число компьютеров и использовать как для коммерческих, так и некоммерческих целей (исключая возможность продажи кода (или его части) самой программы). Интерфейс программы довольно дружелюбный, интуитивно понятный и для дополнительного удобства переведенный на русский язык. Язык определяется автоматически при скачивании программы, хотя можно скачать и англоязычную версию (перевод руководства последней версии - 1.5.0 QGIS на русский язык должен появиться в ближайшее время).

Функциональные возможности QGIS значительно расширены за счет большого количества модулей, одним из которых является GRASS GIS с сохранением большинства своих возможностей (от создания и редактирования слоев данных до их комплексного анализа).

Таблица 1. Этапы геоинформационного обеспечения в процессе разработки раздела ПМООС в составе проектной документации на строительство железнодорожного пути (на примере создания карты-схемы растительности, с указанием местообитаний видов растений, занесенных в Красные книги)

Большинство модулей интегрировано в общую систему меню (GRASS и некоторые другие модули обособлены от прочих), поэтому не составляет затруднений найти необходимую функцию. В завершении настоящего обзора мы представляем небольшой фрагмент карты-схемы (рис.2), выполненной и оформленной в QGIS по одному из наших проектов (цвета и некоторые значки изменены).

Рис.2 Фрагмет карты-схемы растительности с указанием местообитаний видов растений, занесенных в Красные Книги, в составе раздела ПМООС.

Выводы

1. При разработке раздела ПМООС проектной документации можно использовать открытые ГИС-пакеты, которые позволяют на выходе получить графические материалы необходимого качества.

2. Многие функциональные возможности открытых ГИС схожи с коммерческими аналогами. При этом наряду с отдельными недостатками, существуют и преимущества. Например, учет топологических отношений в модели векторных данных GRASS, что позволяет избежать ошибок при определении площадей зон с особыми условиями использования территории.

3. Существующие недостатки по своей сути не глобальны (особенно при составлении относительно небольших проектов) и при небольшом опыте использования могут быть довольно легко преодолены.

4. Открытая лицензия на ПО предоставляет право свободного (бесплатного) доступа для всех потребителей, что исключает необходимость использования дорогих лицензионных коммерческих ГИС.

Источники

1. http://homepage.buryatia.ru/rmeic/gis.htm

2. ГИС и охрана окружающей среды

3. Геоинформационная система поддержки принятия экологически значимых решений на уровне хозяйства

4. http://grass.osgeo.org/wiki/Digitizing_Area_Features

Размещено на Allbest.ru