Оценка и картографирование качества окружающей среды в городе (Краснодар)

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Кубанский государственный университет»

Факультет географический

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА

ОЦЕНКА И КАРТОГРАФИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В ГОРОДЕ (КРАСНОДАР)

Работу выполнил А.В. Бутов

Научный руководитель А.В. Погорелов

Краснодар 2015

Содержание

• Введение
• 1. Принципы и подходы информационного обеспечения картографирования городской среды
• 1.1 Городская среда как объект исследования
• 1.2 Краткий исторический анализ изучения проблем качества городской среды
• 1.3 Основные подходы к исследованию состояния городской среды
• 1.4 Принципы и подходы геоинформационного и картографического изучения состояния городской среды
• 2. Методы геоинформационного картографирования
• 2.1 Опыт экологического картографирования городской среды
• 2.2 Геоинформационное обеспечение исследований состояния городской среды
• 2.3 Геоинформационная система - основа для изучения и оперативного картографирования состояния городской среды
• 3. Геоэкологическая характеристика города Краснодара
• 3.1 Природные условия города Краснодара
• 3.2 Размещение населения города
• 3.3 Экологическая ситуация города Краснодара
• 4. Комплексная оценка комфортности проживания населения в городе
• 4.1 Методика создания ГИС «Городская среда»
• 4.2 Оценка природной комфортности проживания населения на территории города Краснодара
• 4.3 Оценка качества окружающей среды в городе Краснодар
• 4.3.1 Загрязнение воздушной среды
• 4.3.2 Загрязнение водной среды
• 4.3.3 Специфическое загрязнение городской среды Краснодара
• 4.4 Социально-экономические факторы городской среды
• 4.4.1 Транспортная доступность города Краснодара
• 4.4.2 Функциональное зонирование городской среды
• Заключение
• Список использованных источников

Введение

Современный город - это сложноорганизованная система, которой свойственно многообразие внутренних и внешних связей естественного, технического, социального происхождения. На урбанизированных территориях наиболее остро проявляются проблемы качества окружающей среды (ОС).

Качество окружающей среды - это свойства ОС, которые определяются как в результате объективных измерений параметров ОС, так и с помощью субъективных оценок [1].

Особо важное место в исследовании качества городской среды отводится картографированию, особенно новым геоинформационным методам его обеспечения, открывающим широкие возможности для комплексного и оперативного отображения, анализа и моделирования. Изучение географических особенностей городской системы требует адекватных современных методов, среди которых одну из ключевых позиций занимает комплекс геоинформационных методов.

Отсутствие концепции и методов геоинформационного обеспечения картографирования качества городской среды выдвигает проблему исследования ОС в число наиболее актуальных. Актуальность данного исследования возрастает в связи с широким внедрением и развитием современной компьютерной техники, обеспечивающей оперативное построение моделей, отражающих явления в динамике и развитии, что особенно важно проведения экологических оценок.

Цель работы заключается в разработке оперативного геоинформационного картографирования городской среды. В качестве объекта исследования выбран гор. Краснодар, а предметом исследования - состояние городской среды и методы оперативного геоинформационного картографирования.

Реализация поставленной цели потребовала решения следующих задач:

- исследовать опыт картографирования состояния окружающей среды крупных городов, а также проанализировать современные методики геоинформационного картографирования в целях оценки качества городской среды;

- изучить методику и произвести измерения шумового загрязнения городской среды с целью построения соответствующей карты для гор. Краснодара;

- составить тематические карты экологического состояния городской среды для территории Краснодара;

- оценить экологическое состояние городской среды Краснодара по комплексу полученных показателей.

Согласно поставленным задачам дипломный проект разбит на 4 главы. Основное геоинформационное «наполнение» работы заключается в картографировании геоэкологических характеристики городской среды. Следует отметить, что построение карт ограничивалось, прежде всего, недостатком исходных данных, не все из которых представлялось возможным измерить или найти в доступных источниках. Тем не менее, ряд карт, позволяющих оценить и детализировать характеристики окружающей среды города Краснодара, построен впервые.

1. Принципы и подходы информационного обеспечения картографирования городской среды

1.1 Городская среда как объект исследования

Рост промышленного и сельскохозяйственного производства, использование в сфере человеческой деятельности все новых материалов и свойств природы, новых источников энергии, рост численности населения и все большая концентрация его в городах приводят к усилению влияния общества на природную среду, к истощению природных ресурсов и увеличению прямых и опосредованных воздействий на природу и общество.

Экологические последствия хозяйственной деятельности человека весьма разнообразны и могут быть значительно отдалены от непосредственных источников воздействия на природную среду и в пространстве, и во времени, но наиболее ярко они проявляются на урбанизированных территориях, особенно в крупных городах [27].

В ходе урбанизации растет не только население городов и занимаемая им территория, но и интенсивность воздействия городов на все составляющие окружающей их природной среды. Влияние городов на пригородные системы выходит далеко за пределы их собственных границ, оно распространяется не только на прилегающие территории, но и на всю биосферу нашей планеты. И все же наиболее сложной оказывается экологическая ситуация внутри самих городов, особенно в крупных, где наблюдается повышенный уровень загрязнения всех элементов окружающей среды (воздуха, воды, почвы, интенсивность шумового загрязнения и т.д.).

Вместе с тем загрязнение окружающей среды влияет и на сам город, ускоряя разрушение зданий, сооружений, промышленного оборудования, коммуникаций, практически всех материально-технических объектов города.

В городах и промышленно-развитых регионах наблюдаются множество отрицательных последствий антропогенных изменений окружающей среды.

Например, с увеличением асфальтовых покрытий городских территорий происходят изменение режима почвенных вод и нарушение режима фильтрации поверхностного стока, крупные здания влияют на ветровой режим, солнечную инсоляцию и многое другое. Таким образом, далеко не только рост промышленного производства, как это принято считать, воздействует на экологическую ситуацию в крупных городах, а вся система города с его инфраструктурой, планировкой, жилищно-коммунальным хозяйством, образом жизни горожан оказывает огромное влияние на окружающую среду. И экологическая проблематика городов далеко не исчерпывается только загрязнением окружающей среды.

Наиболее важно то, что в результате сформировавшегося воздействия отрицательной обратной связи между загрязненной и измененной средой, самим городом и его населением, городские экологические процессы приобретают саморегулирующий характер.

Город является крупнейшим потребителем различных ресурсов, но в нем практически нет условий для утилизации отходов. Поэтому, если сельское поселение в большинстве случаев еще не нуждается в целенаправленной организованной экологической деятельности по сбору, утилизации уничтожению отходов, то существование городского поселения без таковой невозможно.

При анализе взаимодействия человека и окружающей природной среды в современном крупном городе можно выделить три группы проблем.

Во-первых, это проблемы связанные с воздействием антропогенно измененной окружающей среды на городское население.

Во-вторых, проблемы, возникающие при воздействии загрязненной среды городов на природу, как в самих городах, так и на прилегающих к ним территориях.

В-третьих, проблемы, образующиеся в результате воздействия загрязненной окружающей среды городов на их материально-технические объекты [27].

Для определения городской среды необходимо уточнить суть понятия «окружающая среда». Установлено, что целесообразно различать не одно, а несколько понятий: как природное явление, в определенной мере измененное деятельностью человека (общества); как природное и социально-экономическое явление одновременно [8].

Таким образом, основываясь на вышеизложенных высказывание под окружающей средой мы понимаем часть природы, с которой взаимодействует общество и которая изменяется в результате этого взаимодействия, создавая условия для жизни человека. Следовательно, городская среда есть разновидность окружающей среды, совокупность условий жизнедеятельности людей в пределах урбанизированных территорий.

Под антропогенным воздействием на среду подразумевается как непосредственное так и опосредованное влияние на нее человеческой деятельности. В результате этого происходит изменение окружающей среды, понимаемое [31] как перемены в средообразующих компонентах или их сочетаниях.

В ходе изменения окружающая среда переходит из одного состояния в другое. Поэтому с помощью определения «состояние окружающей среды» фиксируется момент ее статики по достижении определенной ступени в ее развитии (изменении).

Оценка «состояния городской среды» определяется как процесс перевода значений состояния среды в шкалу качества среды, показывающую насколько то или иное состояние пригодно для населения, проживающего на данной территории. Деятельность по организации оптимального с позиции общества качества среды называется управлением качеством среды [12].

Городская среда - часть городского организма, от которой зависят качество жизни городского общества и выполнение им своих социально-экономических функций. С исследования городов под экологическим углом зрения находит свое отражение в исследовании природных, антропогенных и социальных компонентов, с одной стороны, и человека, с другой. Как известно, системой называют такой объект, который состоит из нескольких систем различного уровня, находящихся в определенном взаимодействии, обусловливающем целостность системы, ее организацию [12].

Любой город (городская агломерация, система расселения) характеризуется многими особенностями, которые необходимо учитывать в процессе его исследования, проектирования и управления им.

Город - это система, которой свойственно многообразие внутренних и внешних связей естественного, технического, социального происхождения. Город представляет собой иерархически организованную систему, состоящую из природной, антропогенной, социальной подсистем, каждая из которых в свою очередь подразделяется на ряд взаимодействующих подсистем более низкого уровня: природная - на геосистему, гидросистему, аэросистему, биосистему и т.д.; антропогенная - на производственную, градостроительную, инфраструктурную подсистемы и т.д.

Характер функционирования городской системы определяется динамикой процессов, протекающих в подсистемах, а также интенсивностью прямых и обратных, положительных и отрицательных связей между ними.

Так, природная подсистема характеризуется сложными геохимическими и биологическими процессами, идущими на территории города, и преобразованием горных пород, участием в регенерации кислорода и воды, почвообразованием и т.д. Антропогенную подсистему характеризуют создание и дальнейшее развитие структур техногенного происхождения, преобразование естественных ландшафтов в техногенные [12].

Взаимное влияние природной и антропогенной систем весьма велико, однако главное их различие заключается в том, что природная подсистема способна к самовосстановлению и не нуждается в активном воздействии на нее антропогенной подсистемы, а антропогенная - полностью зависит от деятельности общества. При этом человек как элемент природной подсистемы и одновременно социальное существо не просто влияет на антропогенную подсистему, но и создает ее, оказывая сильное влияние на природную подсистему и лишая ее способности к самовосстановлению. Таким образом, с точки зрения геоэкологии город можно представить как совокупность следующих основных подсистем: населения, экономической базы, сферы жизнеобеспечения и природной составляющей [12].

Используя природные компоненты, производство создает особую форму среды - городскую. В этой особой среде, основанной на принципиально ином соотношении элементов природы, городскому населению приходится вести жизнь, отличную от жизни в естественных ландшафтах, сохраняя при этом определенную независимость от местных, региональных условий биосферы и проявлений природных стихий.

Представление о городе как общественном явлении, как о среде жизни, а не только как производственном комплексе, требует четкого понимания что единство и целостность города являются основным условием жизни городского сообщества, которое пронизывает и наполняет его существование, придает ему действительность и осмысленность, заставляет развиваться в сторону удовлетворения потребностей людей. Кроме того, экосистема города имеет пространственный аспект, и специфика ее элементов определяется не только их качественным и количественным составом, но территориальным соотношением относительно друг друга [12].

1.2 Краткий исторический анализ изучения проблем качества городской среды

Экологические проблемы городов возникают практически одновременно с самими городами. Само по себе проживание на небольшой территории больших масс населения неизбежно требует учета природных факторов и строгого выполнения ряда норм и правил, а также проведения комплекса природоохранных мероприятий. Вся история взаимоотношения человека и природы свидетельствует о том, что люди рано или поздно должны были решать возникавшие экологические проблемы и только поэтому было возможно длительное существование сколько-нибудь крупных поселений [27].

В ходе исторического развития городов выделяют семь основных стадий изменения экологического состояния: древнейшие городские поселения (от возникновения первых городских поселений XXXV-XX вв. до н. э. до IV-III вв. до н. э.), античный город (от IV-III вв. до н. э. до IV-V вв. н. э.), средневековый город (от IX-X вв. до XV в город периода Возрождения (XV -XVII вв.), капиталистический город, образовавшийся период первой промышленной революции (XVII-XIX вв.), капиталистический город второй промышленной революции (от 20-х до 50-60-х гг. XX в.) и современный капиталистический город. Данная периодизация больше применима к Европе и отчасти к Ближнему Востоку, но по некоторым экологическим характеристикам она может быть применена и для других регионов [27].

В древних городах, население которых было, как правило, невелико, экологические проблемы были связаны в основном с необходимостью удаления бытовых отходов (отходы ремесленного производства, вывоз мусора), организацией водоснабжения, а также чрезвычайно ограниченной в пределах городских стен жилой средой. В древнейших городах существовали довольно строгие правила и законы, закрепленные не только государством и религией, но и общественным мнением, которые были прямо направлены на охрану окружающей среды, это позволяло городам избежать, хотя и не всегда, распространенных эпидемий.

Античный город по способу производства, по его роли в торговых и политических отношениях, по характеру экологических проблем мало отличался от древнего. Однако развитием ремесленных производств, торговли, с увеличением количества рынков, складов, постоялых дворов, численности населения общее воздействие человека на окружавшую среду заметно возросло, следовательно, и экологические проблемы проявились более масштабно. При этом существенно изменилась и сама экологическая деятельность за счет перехода от пассивной формы к активной. В соответствии с этим главную роль в решении экологических проблем стали играть общегородские коммунальные службы, финансировавшиеся за счет части налогов с постоянного и приезжего населения и использовавших труд государственных рабов. Рабы строили и обслуживали сложные и дорогостоящие инженерные сооружения, канализационные системы, обеспечивали вывоз мусора, организовывали водоснабжение, озеленение, очистку улиц. Таким образом, в античном городе отчетливо наблюдаем элементы активной экологической деятельности, которая становится еще более очевидной, если вспомнить, что в то время впервые появляются рекреационные объекты - открытые цирки, стадионы, сады, а также общественные бани - важнейшее средство личной санитарии и гигиены.

В значительной мере были решены и проблемы расширения жилой среды за счет повышения этажности зданий. Многие крупные города Древнего Рима, например Рим, Александрия были преимущественно застроены многоэтажными зданиями, и судами, среди которых встречались и десятиэтажные [24].

Только наличием подобной сложной и многогранной деятельности можно объяснить то, что крупнейшие античные города с населением, доходившим до миллиона человек, с огромным количеством пришлого народа из разных стран существовали в течение долгого времени, избегая опустошительных инфекций.

Переход от античного города к средневековому отразился на решении экологических проблем. С одной стороны, элементы экологической культуры сохранялись в ряде городов восточной части бывшей Римской империи, с другой - первые сколько-нибудь заметные города Западной Европы стали возникать в X-XI вв. и были отделены от античных городов не только столетиями, но и почти полным забвением обширных научных, инженерно-технических и чисто практических знаний, на которых основывались экологические службы в античности. Громадное воздействие религии на умы людей того времени, слепая вера в силу божественного провидения значительно ухудшили экологическую обстановку, так как главное средство борьбы с эпидемиями - массовые богослужения, безусловно, способствовали их распространению. Таким образом, острота экологических проблем в средневековых городах объяснялась не столько ростом объемов загрязнения среды, сколько экологическим невежеством населения и практически полным прекращением экологической деятельности. Забвение в средние века ряда экологических правил и навыков привело к тому, что европейские города стали центрами распространения тяжелейших инфекционных заболеваний, носивших характер эпидемий. В связи с этим, что численность населения городов в то время была незначительной и редко превышало 3040 тыс. человек [18]. Отсутствие экологической защиты городов от инфекций и накопление собственных отходов приводили к высокой смертности населения.

Специфика экологической проблематики городов периода Возрождения главным образом состояла в отказе от исключительно церковного толкования происхождения болезней, в особенности инфекционных. Коммунальное самосознание стало основной предпосылкой для организации в городах содержавшихся за счет магистрата экологических служб для благоустройства городов, проведения отдельных экологических мероприятий. Начавшееся развитие естественнонаучного знания определило правильное направление экологической деятельности.

Решительным образом изменился характер экологической проблематики в период первой промышленной революции. Достижения науки того времени привели к тому, что в городах была практически разрешена проблема предотвращения отрицательных последствий для здоровья человека биологического загрязнения окружающей среды. Однако на смену ей пришли новые проблемы, связанные главным образом с резким ростом загрязнения окружающей среды в результате развития хозяйственной деятельности, промышленного производства и транспорта.

Неблагоприятная экологическая обстановка, сложившаяся в крупных городах, объяснялась не только усилением воздействия на окружающую среду, ростом промышленности, транспорта и строительства, но прежде всего тем, что многие владельцы предприятий, стремясь к получению максимальной прибыли в кратчайшие сроки, практически пренебрегали экологическими интересами города и его населения.

Город периода первой промышленной революции решительно вторгся в литосферу, извлекая из нее все возрастающие объемы вещества и энергию, которые после недолгой переработки попадали в биосферу уже в виде отходов производства и потребления. Тем самым города стали вносить дисбаланс в природные биогеохимические процессы, в экологический круговорот вещества и энергии. Кроме того, природные системы, прежде всего биогеоценозы, а также организм человека стали получать из окружающей среды, загрязненной промышленными отходами, громадное количество элементов и соединений минерального происхождения, которые стали оказывать на них все более глубокие отрицательные воздействия.

Особенности экологических проблем второй промышленной революции (от 20 до 50-60-х гг. XX в.) были связаны с активным вторжением в окружающую среду двух новых мощных факторов:

- автомобильного и железнодорожного транспорта, резко повысивших уровни шумов и вибраций, загрязнение атмосферного воздуха;

- вызванного острым развитием химического производства поступления в окружающую среду разных химических веществ и соединений, ранее в природе не существовавших.

Но постепенная замена твердого топлива нефтепродуктами и природным газом, рост электроэнергетики, возрастающее благоустройство городов в некоторой, хотя и далеко не полной степени компенсировали вышеприведенные отрицательные тенденции. Суммарное антропогенное воздействие городов на все элементы окружающей природной среды сделалось настолько значительным, что вызвало серьезную тревогу среди самых широких слоев селения городов и прилегающих к ним территорий, тем более что доля городского населения в промышленно-развитых странах неуклонно возрастала, достигая 75-80%. Это привело к тому, что в начале 1960-х годов отношение общественности, государственных учреждений, да и некоторых фирм к проблеме охраны окружающей среды городов стало серьезно меняться.

Под давлением общественного мнения правительства многих развитых капиталистических стран мира издали специальные законы, обязывающие промышленников принимать меры по очистке городских территорий от промышленных отходов и ликвидации отрицательных последствий загрязнения окружающей среды [27].

Современный этап экологического состояния для крупных городов развитых капиталистических стран мира характеризуется не только снижением роста, но и в некоторых случаях сокращением загрязнения окружающей среды. Это объясняется рядом факторов. Во-первых, постоянное удорожание всех видов природных ресурсов делает экономите неизбежным процесс введения ресурсосберегающих технологий и выпуска менее материалоемкой и энергоемкой продукции. Это же делает все более выгодной утилизации многих отходов. Во-вторых, из-за высокого налогообложения на отходы многим фирм становится невыгодно развивать в крупных городах промышленные предприятия, сильно загрязняющие окружающую среду в крупных городах. Производства выносятся вдаль пригороды, где налогообложение ниже. Это приводит к снижению численности населения крупных городов, что также способствует снижению антропогенного давления на окружающую среду.

В-третьих, в развитых капиталистических странах наблюдается выраженная тенденция к выносу материалоемких производств на территорию развивающихся стран.

Резкий рост численности населения городов развивающихся стран был обусловлен тем, что большая часть сельского населения, не имеющего земли, чтобы прокормить себя, устремляется в города, где есть возможность найти себе заработки. Вызванный этим процессом резкий рост численности населения городов, особенно крупных, порождает множество проблем, в том числе и экологических. Специфическая проблема городов развивающихся стран связана с деятельностью транснациональных корпораций, которые проводят «грязные» и материалоемкие производства в развивающиеся страны и тем совершают свои экологические проблемы [27].

1.3 Основные подходы к исследованию состояния городской среды

Под научным подходом понимается стратегия исследования, опирающаяся на специфические системы понятий, принципов, показателей и методов.

Существуют различные взгляды на то, как выявлять междисциплинарные подходы к изучению городской среды. С. Бойден разработал стратегию исследования городских поселений, которую он назвал интегрированным экологическим подходом, О. Н. Яницкий выделил объектно-, субъектно- и проблемно-ориентированный подходы.

Можно сослаться еще на ряд попыток определения методологии экологического изучения городов, но более важным представляется поиск таких параметров, которые наиболее существенны для разграничения различных стратегий исследования. Анализ публикаций по экологии городов позволил выявить два таких параметра - вид исходной информации и способ удержания целостности объекта (городской среды). Исходная информация об окружающей городских жителей среде может быть получена путем измерения, субъективной оценки или обобщения различных проблем.

Сохранение целостности объекта достигается путем перечисления всех показателей среды, выделения ключевого показателя, вычисления производных характеристик среды и сведения всех показателей в единую причинно-следственную модель. Пересечение двух групп направлений дает сетку возможных подходов [12]. Инвентаризационный подход. Основная идея - учет всех показателей и их измерение, получение таким образом полного представления об окружающей городских жителей среде. Недостатки подхода вполне очевидны и связаны как с невозможностью исчерпать все многообразие факторов, формирующих городскую среду, так и с возрастанием неопределенности суждений о целостности среды при увеличении числа рассматриваемых показателей.

Применение данного подхода обусловливается его ролью как начального этап; многих исследований, выполняемых в рамках других подходов. Рассматриваемый подход лежит в основе покомпонентного анализа городской среды [46], статистики окружающей среды [22; 32] и принятой в градостроительстве факторной оценки состояния среды [33].

Комплексный подход. Основная идея заключается в том, чтобы с помощью определенных математико-статистических операций свести разнородные показатели в один комплексный и на его основе судить о целостности городской среды. Противоречивость подхода связана с тем, что целостность среды воспроизводится путем вычислений. При выделении районов в рамках подхода наибольшее распространение получил факторный анализ для обобщения разнообразной исходной информации и представления ее через ограниченное число факторов, отражающих некоторые интегральные характеристики городской среды. Существующие ограничения в проведении районирования связаны в основном с отсутствием обоснованных процедур интерпретации факторов. Наиболее успешное использование факторных моделей достигается при однородном районировании городской территории с ориентацией на функцию моделирования. Примеры реализации подхода связаны с индексным методом [23] и факторной экологией города [3; 25; 32; 47].

Модель. Основная идея - целостность городской среды можно удержать только с помощью модели, описывающей ее поведение. Сложность в реализации подхода связана с трудностью создания всеохватывающей модели. Примеры в рамках этого подхода приведены в работах [39; 42]. Индикаторный подход. Основная идея состоит в необходимости выявления такого индикатора, на основе которого можно получить интегральную оценку городской среды. Если бы удалось выявить такой индикатор, то все исследование свелось бы к простому измерению. Однако этого еще не произошло, хотя предпринимались попытки использовать в качестве индикатора здоровье населения лишайники, тепловое изучение города и т. д. [48].

Субъектный подход. Основная идея - только человеку присуще целостное восприятие городской среды. Основной недостаток подхода связан с субъективностью восприятия и понимания среды городским населением. Формы реализации подхода - социологический опрос населения и экспертные оценки [2; 32; 49].

Проблемный подход. Основная идея - перевод результатов междисциплинарного исследования на язык проблем позволяет понять целостность городской среды. Данный подход называемый еще проблемно-комплексным [8] - это стратегия исследования города, направленная на выявление, изучение и разработку рекомендаций по устранению комплексов проблемных ситуаций, вызванных загрязнением окружающей среды. Примеры реализации подхода изложены в рекомендациях по инженерно-экологическому зонированию в районной планировке [30], районировании для программно-целевого планирования [43], определении комплексов конфликтных ситуаций при экспертно-географическом районировании [Космачев] и проблемном средоохранном районировании [8].

Геоэкологический подход. Предмет исследования геоэкологии - последствия воздействия хозяйственной деятельности на геосистемы и их реакция на эти воздействия. Некоторые географы склонны называть геоэкологию «экогеографией». Биологи видят в геоэкологии пространственный раздел экологии, изучающий экосистемы ранга ландшафт и выше. В геологической литературе геоэкологию идентифицируют с направлением, изучающим влияние хозяйственной деятельности на литосферу. Так или иначе объектом геоэкологии выступают территориальные выделы поверхностной оболочки земли (геосистемы), включающие как природные, так и антропогенные компоненты.

Системный подход предполагает представление объекта картографирования как сложной территориальной системы, включенной в окружающую город ландшафтную структуру [42]. Город предстает как системное единство природного ландшафта, техногенной среды и населения.

Геосистемный подход требует создания по меньшей мере грех тематических блоков карт, отражающих природно-ландшафтные, антропогенные (инженерно-технические, архитектурно-планировочные), социально- экономические и другие особенности городской среды.

К важнейшим научным методам геоэкологии следует отнести методы пространственного анализа - картографический, графоаналитический, а также методы субстратно-функционального анализа - геофизический, геохимический, биоценологический, методы временного анализа.

Геоэкологическое картографирование предполагает учет разнообразных свойств территории по различным срезам - по природному, демографическому, техногенному, вертикально-пространственному, горизонтально-пространственному и др. При этом строится своеобразный конфигуратор моделей изучаемого объекта, синтез которых выявляет его системное качество и оценивает влияние объекта на антропобиоцентрическую подсистему изучаемого территориального выдела [14].

1.4 Принципы и подходы геоинформационного и картографического изучения состояния городской среды

Картографическое изучение городов вызывает множество проблем, связанных с методикой проведения работ, научной проработкой вопросов проектирования и составления карт и др. Сложность задач отражения различных аспектов жизни города вызывает необходимость создания как фундаментальных картографических произведений, так и оперативных карт, показа взаимодействия компонентов городской среды, учета прикладного характера проблем.

В настоящее время, несмотря на четкую переориентацию многих исследований с глобальных и региональных на муниципальные проблемы, до сих пор не разработана общепринятая концепция геоэкологического картографирования крупных городов. Не разработаны критерии оценки различных ее компонентов, методические приемы, отсутствуют унифицированные легенды и макеты карт различного содержания и масштаба, инструктивные документы по содержанию и организации работ.

Сейчас на первое место при изучении городской территории выдвигаются экологические факторы и условия, отражающие территориальные особенности и закономерности развития городской среды.

При этом постановка задачи не должна ограничиваться констатацией напряженности экологической обстановки, выявлением превышения допустимых норм по концентрации загрязняющих веществ в природных средах или объемах выброса промышленными предприятиями. Каждый из таких фактов должен сопровождаться конкретными медико-биологическими и медико-гигиеническими оценками качества окружающей среды, проведенными с учетом условий проживания населения, его здоровья и т.п.

Таким образом, комплексная оценка структуры и состояния урбанизированных территорий включает системное рассмотрение основных ее составляющих: природно-ландшафтной, инженерно-технической и демопопуляционной [13].

Исходя из принципа системности требуется создание трех блоков карт: базов карт природы, карт антропогенных факторов формирования городской среды, карг coциально-экономических факторов. Блок базовых карт природы. Природная среда во многом определяет привлекательность города, влияет на формирование облика юродской среды. Природные системы - это фундамент всех происходящих на поверхности процессов и явлений, поэтому изучение и картографирование являются важнейшей задачей исследования. Все компоненты природы - рельеф, климатические условия, почва, поверхностные и подземные воды, растительность и животный мир - необходимые ресурсы жизнедеятельности человека. Природный ландшафт служит территориальным базисом развития города. В некоторых случаях отдельные компоненты геосистем претерпели изменения, внесенной деятельностью человека, что должно быть отражено на картах. Здесь, наряду с необходимостью показа реального состояния тех или других компонентов природы, для понимания сути происходящих процессов и выяснения возможных направлений развития территорий важно создавать ретроспективные карты.

При разработке карт природных факторов первостепенное внимание необходимо уделить созданию главных морфогенетических карт. Содержание таких карт отражающих компонентную составляющую территории, представляя собой морфотипические территориальные структуры и выделы геоэкологических, эколого-геоморфологических, климатически-экологических, водно-экологических, эколого-почвенных, эколого-растительных, эколого-фаунистических, ландшафтно-экологических комплексов и систем [42].

Блок карт антропогенных факторов формирования городской среды. Городская среда помимо природной части включает также и то, что создано человеком на территории города: его планировочную структуру, промышленные и иные предприятия, транспорт, жилье, сферу обслуживания и т.д. Городская среда не имеет аналогов в естественной природной среде и, как правило, совсем не вписывается в природные циклы либо видит в них с большим трудом. Без детального картографического анализа и обобщения кой информации невозможно дать оценку состояния городской среды, степени техногенного влияния на состояние здоровья человека.

Особое внимание должно быть сконцентрировано на изучении и картографировании техногенной нагрузки. Техногенное загрязнение сказывается на всех компонентах городского ландшафта, особенно на депонирующих средах: почвенном, снеговом, растительном покровах. В этом блоке необходимо составление карт экологических акцептор на которых отображается процесс или состояние загрязнения отдельных компонентов среды. Создание таких карт позволяет не только выявить зону техногенного воздействия, но и установить его пространственные закономерности и степень этого воздействия основные компоненты городской среды [42]. Особенно важно картографирование специфических загрязнений городской среды, таких как радиационное, электро-магнитное, шумовое и т.д., которым сегодня уделяется большое внимание ученых. Последствия воздействий таких загрязнений еще до конца не изучены, но их картографирование является одной из актуальных проблем.

Блок карт социально-экономических факторов городской среды. Городская среда ориентирована на человека, на население, но и само население является ее частью. Состояние здоровья населения обычно рассматривается в качестве индикатора экологического состояния территории. При этом надо иметь в виду, что население во многих случаях само может значительно повышать или снижать экологическое неблагополучие территории и быть источником экологического риска, но на это, как правило, обращается внимание в меньшей степени.

Под социально-экономической геоинформацией принято понимать любую информацию о тех или иных аспектах жизнедеятельности населения города, имеющих пространственное распределение.

При создании геоэкологических карт важно проследить и показать взаимосвязь уровня цен на городскую недвижимость, величину спроса и предложения объектов недвижимости с определенной экологической ситуацией в городе, а также пространственное распределение данной взаимосвязи. В настоящее время цена должна быть одним из основных индикаторов состояния качества городской среды. Исходя из задач, поставленных в данной работе, для создания полноценной ГИС города требуется создание базовой электронной картографической основы. Под базовой электронной картографической основой мы понимаем топографическую (пространственное размещение графических объектов) и топологическую (взаимосвязь объектов через специальное кодирование объектов на карте) части.

При создании базовой электронной картографической основы следует ориентироваться на ее дальнейшее применение не только в качестве топоосновы под основную тематическую информацию. Базовая электронная картографическая основа - это источник информации для создания многих производных тематических карт. Топографические карты богаты содержанием и могут выступать в качестве основных источников информации для составления ряда тематических карт городских территорий без масштабного применения дополнительных материалов. Качественное создание электронного представления топографических карт во многом определяет успех дальнейших исследований и картографирования [42].

Не меньше внимания следует уделить построениям топологических взаимосвязей объектов топографической основы, таких как замкнутость площадных объектов, связанность, прилегание и т.д., обеспечивающих проверку корректности вводимой информации, использование графической информации в задачах моделирования поверхности, имитации транспортных и инженерных коммуникаций и т.д.

Основными принципами создания базовых картографических произведений должны быть принципы системной целостности и функциональности. Внутреннее единство достигается в результате разработки общей программы произведения и согласования карт в процессе авторских работ.

Согласование карт предусматривает согласование легенд, целесообразную последовательность в разработке тематических легенд, установление общих принципов и уровня генерализации тематического содержания, согласование объектов, повторяющихся в нескольких картах, согласование контуров, взаимосвязанных цветов, единый подход к оформлению карт и т.д. [4].

Таким образом, крупный город необходимо рассматривать как сложную систему, состоящую из двух основных подсистем: населения и городской среды. Такой подход требует комплексной оценки и картографирования состояния городской среды, включающей системное рассмотрение структуры, взаимодействия и развитие ее компонентов.

2. Методы геоинформационного картографирования

2.1 Опыт экологического картографирования городской среды

Структура экологического картографирования как особого научного направления, объединяющего экологию и картографию, связана с современным пониманием экологии как взаимоотношений любого организма или их сообществ со средой.

Географическая картография под влиянием времени и запросов общественной практики развивается как комплексное направление, в задачу которого входит многостороннее отображение структуры, связей, динамики геосистем как целостных природных и социально-экономических образований.

Поэтому географическое картографирование и понимается сейчас как системное картографическое моделирование (отображение, анализ, оценка и прогноз развития) геосистем. Оно включает в себя различные отраслевые направления тематического картографирования: геологическое, почвенное, социально-экономическое, которые реализуются в отраслевых географических картах в той мере, в какой геологическое строение, почвы, экономика могут рассматриваться как компоненты геосистемы [7].

Особое место в ряду геоэкологических исследований отводится изучению и картографированию городских территорий (рисунки 1-4). Важно подчеркнуть, что различные концептуальные модели городской среды находятся в отношении дополнительности друг другу, что особенно существенно при комплексном подходе к оценке структуры и состояния городской системы [14].



Рисунок 1 - Комплексная карта районирования по потенциалу загрязнения атмосферного воздуха структуре и объему выбросов [9]

Рисунок 2 - Шумовое загрязнение гор. Иркутск [9]



Рисунок 3 - Транспортная доступность территории гор. Иркутск [9]

Рисунок 4 - Градостроительное зонирование территории гор. Иркутск

Экологическая обстановка во многих регионах и городах настолько обострена, что требует немедленного и весьма квалифицированного вмешательства, начиная с уровня экологических экспертиз и заканчивая непосредственным воздействием на природный комплекс. При этом подлежит учету большой перечень социальных и экологических характеристик природных и промышленных объектов, которые следует принимать во внимание при проведении экологических исследований. Эти характеристики чрезвычайно разнообразны, обладают пространственно-временными свойствами, и поэтому одним из наиболее приемлемых методов экологического анализа систем является картографический метод исследования [11].

Однако экологическое картографирование многоаспектно, и поэтому к нему необходимо подходить с разных позиций. Исследование и картографирование экосистем наталкиваются на ряд трудностей, возникающих вследствие:

- необходимости получения большого объема информации при изучении экологических и сопутствующих экономических факторов, которые обычно трудно поддаются количественной оценке;

- методических трудностей при проведении комплексной оценки, необходимость которой возникает потому, что детальное изучение отдельных явлений не позволяет прогнозировать результаты их взаимного наложения;

- сложности, а зачастую и невозможности постановки эксперимента традиционными методами.

Преодолению перечисленных и многих других возникающих препятствий может способствовать использование геоинформационных технологий для создания экологических карт и их последующего анализа. При таком подходе можно не только создавать, но и на основе поступающей новой информации оперативно обновлять экологические карты, формировать картографо-экологические модели применительно к решению разнообразных задач экологической оценки, прогноза, экспертизы и т.д. Использование современных геоинформационных технологий в картографии сейчас переходит из области теоретических и методических разработок в область широкого практического применения [11].

2.2 Геоинформационное обеспечение исследований состояния городской среды

Среди источников, широко используемых в геоинформатике, наиболее часто привлекаются картографические, статистические материалы, данные дистанционного зондирования, реже используются данные специально проводимых полевых исследований и литературные источники (рисунок 5).

Географической информацию делает пространственно-распределенный характер, а также географичность описываемых ею объектов (территория города и его окружение, компоненты природной среды - вода, воздух, грунты, почва, биота и др.). Причем информацией можно назвать только определенным образом организованные, используемые для какой-либо цели количественные или качественные данные [21].

Рисунок 5 - Источники информации, используемые в ГИС [8]

Эколого-географическая информация о городской среде должна:

- давать целостное представление о географическом положении города и экологической обстановке в нем;

- объективно и в полной мере характеризовать отдельные компоненты среды города; описывать не только статическое состояние компонентов городской среды, но и процессы, связанные с их функционированием и развитием;

- отражать существенные внутренние взаимосвязи факторов среды с качеством жизни городского населения;

- быть конструктивной, то есть сопоставимой с оценками других природных и техногенных аспектов, пригодной для интегральных геоэкологических расчетов;

- обладать рациональностью, которая определяется как минимальный объем затрат труда, времени и средств на получение единицы информации [12].

Тип источника объединяет генетически однородное множество исходных материалов, каждое из которых имеет индивидуальный комплекс характеристик. К ним принадлежат, например, такие немаловажные признаки - в какой цифровой или нецифровой (аналоговой) форме получается, хранится и используется тот или иной тип данных, от чего зависят легкость, стоимость и точность ввода этих данных в цифровую среду ГИС [37].

Использование географических карт как источников исходных данных для формирования тематических структур баз данных удобно и эффективно по ряду причин. Во-первых, сведения, считанные с карт, имеют четкую территориальную привязку, во-вторых, в них нет пропусков в пределах изображаемой территории, и, в-третьих, они в любой форме возможны для записи на машинные носители информации.

Картографические источники отличаются большим разнообразием, кроме общегеографических и топографических карт насчитываются десятки и даже сотни типов различных тематических карт. Отметим некоторую условность разграничения карт, когда, например, на комплексных и синтетических картах происходит совмещение или слияние разнообразных тематических слоев, относящихся к разным типам. Но, тем не менее, исходя из классификаций [17; 19; 35] выделяются крупные блоки экологических карт - биоэкологические, геолого-экологические, географо-экологические, антропоэкологические, социально-экологические, экономико-экологические, общие экологические [19].

Следует отметить особую роль серий карт и комплексных атласов, где сведения приводятся в единообразной, систематизированной, взаимно согласованной форме: по проекции, масштабу, степени генерализации, современности, достоверности и др. параметрам.

Такие наборы карт особенно удобны для создания тематических баз данных.

К организациям, продуцирующим эколого-географическую информацию можно отнести: управление Госкомгидромета, горСЭС, управление Госкомстата, подразделения Роскартографии, НИИ землеведческого профиля, комитет по охране природы, управление жилищно-коммунального хозяйства и др. Если характеристики конечного продукта-карт или ГИС в значительной мере зависят от общего состояния геоинформации, то важно указать основные проблемы, возникающие при использовании последней [30].

К основным проблемам, которые неизбежно возникают перед исследователями (организациями), занимающимися проблемами городской среды, независимо от их ведомственной принадлежности, материально-технического обеспечения или профессиональной компетенции, относятся:

- наличие огромного количества уже накопленных данных, которые систематически не обрабатываются и не анализируются именно в силу своего объема и разнокачественности представления;

- рассредоточение информации, собираемой более или менее централизованным образом;

- ограниченный доступ к информации, ее секретность, высокая стоимость, что делает ее практически недоступной для большинства исследователей;

- низкий уровень автоматизации различных операций на этапах сбора, хранения, обработки, анализа и передачи информации;

- низкий уровень автоматизации самих эколого-географических исследований; незначительное финансовое, материально-техническое и интеллектуальное обеспечение исследований [12].

Можно выделить три основных этапа для обеспечения совместного и взаимно совместимого использования геоинформации, полученной из различных систем информационного обеспечения. На первом этапе необходимо упорядочение информации. Это может быть упорядочение по времени, по территории, по конкретному содержанию. Второй этап - это оптимизация геоинформации из различных источников для последующего совместного ее использования (этап согласования). Этот этап позволяет подготовить геоинформацию для последующего интегрирования путем снятия основных частных информационных барьеров. При решении проблем высокого уровня сложности и комплексности возникает необходимость в третьем этапе - этапе интегрирования геоинформации [37].

2.3 Геоинформационная система - основа для изучения и оперативного картографирования состояния городской среды

Оперативное картографирование - создание или использование карт в реальном или близком к реальному масштабу времени с целью быстрого (своевременного) информирования пользователя и контроля за ходом процессов, протекающих в геосистемах [6].

В настоящее время в России и других развитых странах ведутся большие исследовательские работы, направленные на решение глобальных, национальных, региональных и локальных геоэкологических проблем с помощью методов и средств геоинформатики. Для этих целей используются в основном геоинформационные системы, разработанные в США, Канаде, Англии, Австралии и др. Меньшую роль играют отечественные программные разработки [14].

Однако практически все современное зарубежное и отечественное программное обеспечение отличается довольно узкой специализацией, направленностью на решение ограниченного набора конкретных задач.

Это зачастую не позволяет в полной мере использовать мощные средства графического оформления, например, в анализе специфики образования, накопления и перераспределения загрязнителей в геосистемах, что особенно важно для геоэкологического картографирования.

Поэтому нередко возникает необходимость комбинирования, совмещения и доработки нескольких программных продуктов для проведения полного и детального геоэкологического исследования территории [13].

Программное обеспечение ГИС должно удовлетворять разным и подчас противоречивым требованиям - быть простым, в то же время обладать достаточным функционалом, средствами адаптации и разработки приложений, иметь невысокую стоимость.

Ни один программный продукт не в состоянии удовлетворить столь многообразным требованиям, поэтому в отношении городских ГИС речь может идти только о семействе программных продуктов. Семейство программных продуктов обеспечивает работу с единым форматом геоинформационных данных, единые подходы в его формировании и обработке - единую геоинформационную технологию.

Геоинформационная технология предусматривает наличие в структуре семейства пакетов программного продукта, обладающего максимальными функциональными возможностями - базового пакета ГИС. Базовый пакет городской ГИС должен включать развитые средства ввода, редактирования и анализа географической информации и обеспечивать: