Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Географические информационное системы и применение ГИС- технологий в экологических исследованиях на региональном и локальном уровне 13
Глава 2. Материалы и методы 24
2.1.Общая методика проведения экологических исследований в среде ГИС 24
2.2. Особенности компонентного состава анализируемой ГИС 26
Глава 3. Использование ГИС для ведения локальных экологических исследований (наполнение блока «экология» Калужской городской ГИС) 35
3.1.Создание слоя квартальной застройки базовой картографической основы города Калуги как необходимое условие для проведения дальнейших экологических исследований 35
3.2.Картографическая оценка качества окружающей среды на территории города Калуги по стабильности развития древесных растений 41
3.3. Локальная оценка качества вод малых рек окрестностей города Калуги с использованием ГИС (Ячейка. Терепец. Киёвка, Калужка) 48
3.4.Картографическая оценка качества окружающей среды на территории Калужского городского бора 55
3.5.Создание кадастра древесных и кустарниковых растений произрастающих на улицах города Калуги с использованием ГИС 59
Глава 4. Использование ГИС для ведения региональных экологических исследований (наполнение блока «экология» ГИС Калужской области) 68
4.1.Карто графическая оценка качества окружающей среды на территории Калужской области по стабильности развития берёзы повислой 68
4.2.Региональная оценка качества вод с использованием ГИС в некоторых реках Калужской области 75
4.3.Создание карт оценки качества окружающей среды по результатам бноиидикационных исследований на территории ООПТ (национальный парк «Угра» и заповедник «Калужские засеки») 82
4.4.Картографическая оценка качества окружающей среды на территории Калужской области по заболеваемости экопатологиями детей до 14 лет 87
4.5. Создание кадастра редких и исчезающих видов грибов, растений и животных на территории Калужской области как блока ГИС «Красная книга Калужской области» 94
Глава 5. Сравнительный анализ данных экологических исследований в среде ГИС 107
5.1.Сравнительный анализ качества окружающей среды по Состоянию древесных и кустарниковых растений и по показателю стабильности развития древесных растений на территории Ленинского округа города Калуга за 2004 год 107
5.2.Сравнительный анализ качества водной среды по результатам гидробиологических и химических исследований в малых реках окрестностей города Калуги 110
5.3.Сравнительный анализ карт распространения редких и исчезающих видов грибов, растений и животных и суммарной изученности территории Калужской области 111
5.4. Сравнительный анализ карт распространения редких и исчезающих видов грибов, растений и животных и суммарной биоиндикацонной карты на территории Калужской области в период с 1997 по 2000 годы 114
5.5.Сравнение суммарных биоиндикационных карт 119
Выводы 133
Библиографический список использованной литературы 136
- Особенности компонентного состава анализируемой ГИС
- Локальная оценка качества вод малых рек окрестностей города Калуги с использованием ГИС (Ячейка. Терепец. Киёвка, Калужка)
- Создание кадастра редких и исчезающих видов грибов, растений и животных на территории Калужской области как блока ГИС «Красная книга Калужской области»
- Сравнительный анализ карт распространения редких и исчезающих видов грибов, растений и животных и суммарной биоиндикацонной карты на территории Калужской области в период с 1997 по 2000 годы
Особенности компонентного состава анализируемой ГИС
Каждая ГИС состоит из 5 компонентов: аппаратное обеспечение, программное обеспечение, данные, пользователи, методы. Представляемая в данной работе ГИС имеет свои особенности s силу её использования для исследовании характеристик природной среды территорий города Калуги и Калужской области.
Аппаратное обеспечение. Большую роль для использования ГИС в исследованиях природы региона имеют современные тенденции всё большей ориентированности ГИС на отдельные ПК. Для того, чтобы использовать ГИС в своих исследованиях пользователю необходимо иметь хотя бы один персональный компьютер не менее Pentium 100 ОЗУ 16Мбайт. винчестер IDE 1.6 Гбайт, сканер разрешением не менее 360 dpi, и принтер с минимальным разрешением 360 dpi. Желательным является использование систем глобального позиционирования Компьютер и вышеперечисленные периферийные устройства с необходимыми и достаточными характеристиками имеются в распоряжении и лаборатории Биоиндикации и кафедры ботаники и экологии и в центре информационных технологий КГПУ им Циолковского на базе которых выполнялась данная работа.
Программное обеспечение. Для данной работы была выбрана программная оболочка ГИС Maplnfo Professional, что было обусловлено следующими положениями;
необходимые и достаточные технические возможности для решения поставленных задач;
доступность и ориентированность на ПК;
растущая динамика использования ГИС Maplnfo в России;
унификация с имеющимися работами различном тематики в среде ГИС Maplnfo на территории города Калуги и Калужской области
Данные. В данной работе были использованы следующие данные: план - схема города Калуга масштаба 1: 5000 1995 года выпуска; результаты инвентаризации древесных и кустарниковых растений на улицах города Калуги проводимой сотрудниками кафедры ботаники и экологии и студентами биолого химического факультета им. К.Э. Циолковского; сертифицированные векторные карты Калужской области масштабом 1 200000, приобретённые лабораторией Бионндикации в Роскартографии; материалы по распространению редких и исчезающих видов грибов, растений и животных на территории Калужской области предоставленные специалистами - биологами (В.В. Алексановым, С. К. Алексеевым, Н.В. Воронкиной, Г.В. Голубевой, Н.И. Дудковскии, СР. Майоровым, В.А. Марголиным, А.В. Марголиным, Р.А. Романовой. М.Н. Сионовой, А.К. Скворцовым, А.Б. Стрельцовым, СИ. Тарасовым. М А Черниковым, А.А. Шмытовым, И.В. Шмытовой), результаты химического анализа проб воды на реках Ячейка и Терепец (данные Калужского городского комитета по охране окружающей среды); результаты биоиндикационного анализа по индексу сапробности и макрозообелтосу на малых реках Калуги (Терепец, Ячейка, Калужка, Киёвка) и на Калужском водохранилище полученные в результате исследований Казанникова Е.А. и Изотова А.А.; результаты анализа класса чистоты воды некоторых рек Калужской области, полученные в результате специальных исследований проводимых Калужской общественной организацией «Экологический центр» совместно с КГПУ им. К.Э. Циолковского и Тульским экологическим центром школьного образования, результаты биоиндикационного анализа земноводных, растений, насекомых по стабильности развития (определяемой по коэффициенту флуктуирующей асимметрии) полученные в исследованиях проводимых на базе лаборатории Биоиндикации КГПУ им. Циолковского Длексановым В.. Константиновым Е.Л., Прохоровой Н., Рачковой Е.М., Трофимовым И.Е., Устюжанином О.А. и другими (архивные материалы лаборатории Биоиндикации КГПУ им. Циолковского); данные по отдельным заболеваниям в среднем по районам по статистическим справочникам: ежегодные доклады «О состоянии и охране окружающей среды в Калужской области», подготавливаемые государственными природоохранными органами Калужской области.
Пользователи. Большая часть, работ по внедрению данных, обработке, анализу, моделированию, визуализации и подготовке к выводу данных в среде ГИС проводилась автором (около 80 %). Но. в связи с большими объемами исходной информации часть информации по распространению объектов озеленения города Калуги и по распространению редких и исчезающих видов живых организмов на территории Калужской области вводилась сотрудниками кафедры ботаники и экологии, лаборатории Биоиндикации и студентами биолого - химического факультета им. К.Э. Циолковского.
Методы. Для каждой работы применялась определённая группа методов, в зависимости от исходных данных и целей исследования. Все применяемые методы, разбиты на 4 логически организованных по функциональной последовательности исполнения блока: ввод данных в цифровую среду и их преобразование для использования в программных пакетах ГИС -анализ и моделирование данных через СУБД - визуализация экологической информации - вывод данных для использования их в процессе принятия решений.
Ввод данных в цифровую среду и их преобразование для использования в ГИС.
Для ГИС любого уровня актуален вопрос ввода и подготовки данных для использования их в ГИС. 9/10 временных и экономических затрат проекта составляет ввод информации (Макаров, Нова коне кий, Чумаченко, 2002). Методы ввода информации различны и зависят от типа источника информации. от формата представления данных. от имеющихся в распоряжении пользователя технических средств (Милич. Мурынов, 1998) Прежде чем выбрать ту или иную методику. необходим анализ всех параметров проекта, соответственно которым выбирается оптимальный метод ввода данных. Методы ввода графической информации:
Метод ручной оцифровки растрового изображения.
Зачастую источником информации выступает уже имеющийся картографический материал в аналоговой форме (Основные.., 1984). Такие карты сканируются и им присваиваются плановые координаты (X, Y) - происходит привязка к картографической математической основе, после чего они становятся растровыми картами. Такой метод применялся в оцифровке аналоговой карты города Калуги масштаба 1:5000 для создания векторных слоев, которые при наложении образовали электронную карту Калуги. Автором была проделана работа по оцифровке слоя квартальной застройки. Был избран метод ручной оцифровки растра с помощью дигитайзера, что было обусловлено: считыванием с растровой карты не всей информации, а лишь её части (при оцифровке слоя квартальной застройки с карты города Калуги) и плохим качеством исходного картографического материала (наличием так называемых «шумов»).
Ручной ввод. Большая часть данных была введена ручным способом через клавиатуру и дигитайзер по текстовым описаниям расположений объектов или схемам. Такой метод является самым трудоёмким. Метод ручного ввода применялся для показа расположения объектов озеленения на улицах города Калуги и для обозначений распространения мест обитания редких и исчезающих видов грибов, растений и животных на территории Калужской области.
Метод цифрового ввода по координатам. Программный пакет ҐИС Maplnfo позволяет автоматически проставлять точки по плановым координатам (X, Y) в автоматическом режиме. Эти координаты обычно получают через систему глобального позиционирования (GPS). Этот метод использовался для нанесения на карту Калужской области точек отбора проб а бионндикационных исследованиях.
Локальная оценка качества вод малых рек окрестностей города Калуги с использованием ГИС (Ячейка. Терепец. Киёвка, Калужка)
Для анализа состояния малых рек окрестностей г. Калуги проводилась оценка с применением ГИС-технологий по данным гидробиологических исследований за 1990 и 2000 годы рек Ячейка, Терепец и Калужка, и по данным химического анализа за 2000 год рек Ячейка и Терепец. На основании гидробиологических данных создавались экологические карты класса чистоты воды. Пункты отбора проб отмечались на карте маркерами с привязанными числовыми характеристиками (класс чистоты воды), на основании которых строились тематические карты методом индивидуальных значений, при этом класс чистоты воды показывается цветом. Классификация уровней загрязнении водной среды соответствует принятой в европейской (Директива--, 2000) и российской практике, с делением на шесть классов качества:
1 класс -голубой
2 класс - зелёный
3 класс - желтый
4 класс - оранжевый
5 класс - красный
6 класс - фиолетовый.
Таким образом, были созданы слои: «места отбора гидробиоиндикзцнониых проб за І990 год», «места отбора гидробноиндикационных проб за 2000 год» и их производные -тематические карты, отображающие класс чистоты воды отдельно по годам. Условно считается, что на отрезке от точки взятия пробы до следующей вниз по течению, действительна числовая характеристика начальной точки. Из слоя рек копируется участок реки, на котором отображается динамика значений, разбивается на отрезки по отдельным значениям, и на этой основе так же строятся тематические карты методом индивидуальных значений (участку реки присваивается то же значение класса, что и исходной точки, а. следовательно, и цвет). Таким образом, создаются новые слои: «класс чистоты воды в 1990 году», и «класс чистоты воды в 2000 году».
Тематические слои отдельно по годам накладываются на топографическую основу, в результате получаем электронные карты класса качества воды за 1990 и 2000 года. Для большей наглядности можно поместить обе карты на один лист и снабдив их легендой сформировать карту динамики чистоты воды за 10 лет (рис. 9).
Данные химического анализа были представлены в слое «обобщённый химический анализ за 2000 год» точками отбора проб И связанной базой данных включающей поля:
название водоёма;
№ точки;
общая минерализация.
окисляемость;
БПК;
нитраты;
нитриты;
сульфаты:
хлориды;
фосфаты;
железо;
медь;
никель;
Так же по данным сброса в водные объекты загрязняющих веществ за 2000 год был создан слой «сбросы промышленных предприятий» в базе данных которого содержатся следующие характеристики:
название предприятия;
водный объект;
объём сточных вод;
ВПК;
нефтепродукты:
взвешенные вещества;
сухой остаток;
азот аммонийный,
нитриты;
нитраты;
фосфат общий;
сульфаты;
хлориды;
фтор;
СПАВ;
железо;
медь;
никель;
цинк;
хром.
В данном случае для тематического картографирования оптимальным будет использование методов столбчатых диаграмм и размерных символов. На карте для каждой точки выстраивается график, что позволяет анализировать пространственное распределение значений по одной или нескольким переменным (рис. 10). Применение ГИС - технологий дает возможность создания ряда вариантов карт, нагрузка и оформление которых будут соответствовать требованиям пользователя. при минимальных затратах времени и средств. Результаты гидробиологических и химических исследований совмещаются на синтетической карте, что дает больше возможностей для проведени: пространственного анализа качества водной среды (рис. ID- Значение полученных результатов и возможности их практического применении в экологических исследованиях.
В результате сравнения полученных биоиндикационных экологических карт были сделаны выводы о пространственных изменениях класса качества вод малых рек окрестностей города Калуги за 10 лет (Букина, 2005). По данным химического анализа определённых выводов сделать нельзя, так как анализировались данные только за один год, а достоверные корреляции между химическими и биологическими данными требуют большего фактического материала как во времени, так и в пространстве. В дальнейших экологических исследованиях значимость имеет методика создания аналогичных карт. При большем фактическом материале электронные карты и БД могут стать основой для ведения мониторинга экологического состояния рек города Калуги.
Создание кадастра редких и исчезающих видов грибов, растений и животных на территории Калужской области как блока ГИС «Красная книга Калужской области»
Одним из путей реализации программы сохранения биоразнообразия является создание региональных Красных книг. В настоящее время специалистами биологами такой документ разрабатывается и в Калужской области. Однако, как использование, так и ведение любого документа содержащего базы данных пространственного распределения, к тому же постоянно обновляемые, на бумажном носителе затруднено по целому ряду причин. Оптимальным является оформление такого материала с использованием технологий географических информационных систем (ГИС).
Таким образом, в настоящее время одновременно с созданием бумажного варианта «Красной книги Калужской области» формируется её электронный вариант. Для Калужской области решение о создании региональной Красной книги было впервые принято в соответствии с Законом Российской Федерации от 19 декабря 1991 года "Об охране окружающей природной среды". Красная книга Калужской области является государственным документом, содержащим совокупность сведений о состоянии редких и находящихся под угрозой исчезновения видов (подвидов, популяций) животных, растений и грибов, мест их обитания, а также мерах охраны. необходимых для разработки и осуществления мероприятий по их сохранению и восстановлению
Основой для создания Красной книги послужили исследования калужских ученых, проводимые в течение более чем тридцати лет, анализ краеведческой литературы, анализ гербарных сборов КГПУ и МГУ и архивных данных. При составлении списка видов занесённых в Красную книгу Калужской области учитывались: виды, занесенные в Красную книгу МСОП, Европы, Приложения СИТЕС, уязвимые в глобальном масштабе, Европе и Российской Федерации; виды, размножающиеся в ограниченном количестве на незначительных площадях; легкоуязвимые виды; виды, имеющие на территории области границы репродуктивных ареалов. После утверждения списка необходимо было решить ряд задач по созданию Красной книги Калужской области:
Написание очерков специалистами-биологами (В.В. Алексанов, С.К. Алексеев, Н.В. Вороккина, Г.В. Голубева, Н.И. Дудковский, СР. Майоров, В.А. Марголнн, А.В. Марголин, Р.А. Романова, М.Н. Сионова, А.К. Скворцов, А.Б. Стрельцов, СИ. Тарасов, М.А Черников, А.А. Шмытов, И.В. Шмытова) по каждому виду. Очерк включает в себя: морфологическое описание вида; определение численности и описание условий местообитаний, экологии и биологии вида; выявление причин сокращения численности или ареала; описание принятых или разработка рекомендуемых мер охраны; список источников информации
По подробным описаниям специалистов о распространении вида создавались базы данных и на их основе - электронные карты методом ручного ввода пространственных объектов по литературным описаниям. Создание электронных карт в среде географических информационных технологий имело две цели. Первая, наиболее очевидная, с помощью ГИС возможно создание высококачественных карт распространения каждого вида, которыми дополняется очерк в печатной версии Красной книги Калужской области. Вторая - это создание блока ГИС Калужской области кКрасная книга», который является информационной основой для управления окружающей средой и хозяйственной деятельностью человека с приоритетом сохранения биоразнообразия. Содержание работ
Создание блока проходило следующим образом. Сперва по текстовым описаниям специалистов-биологов (рис. 33) формировались базы данных мест нахождения редких и исчезающих видов грибов, растений и животных (рис. 34), на основе которых строились карты распространения этих видов (рис. 35). По каждому виду создавался отдельный слой. При создании нового слоя ему присваивалось название (название вида). По каждому виду в базе данных есть список пунктов, где встречаются особи данного вида. Ориентируясь на эти пункты. проставляются точки, показывающие распространение вида. Если вид часто встречается в каком-либо районе Калужской области, то весь район отмечается как ареал обитания вида. Далее слой сохраняется в архив карт. Затем этот слой совмещается со слоем границ регионов Калужской области и формировалась карта, которая затем служила для дополнения описания вида в печатной версии Красной книги Калужской области (рис. 36).
Всего в блоке «Красная книга Калужской области» представлено 578 электронных слоев распространения редких и исчезающих видов. Для более точного анализа заселённости территории видами, занесёнными в Красную книгу, по каждой группе живых организмов специалисты создавали карты изученности, где территория Калужской области была разбита на ячейки, каждой из которых присваивалась определённая степень изученности по количеству имеющихся литературных сведений (рис. 37, 38).
Таким образом, блок включает в себя: картографические слои распространения редких и исчезающих видов, связанные базы данных и дополнительные слои изученности территории по группам живых организмов.
Значение полученных результатов и возможности их практического применения в зкологических исследованиях.
Основной мотивацией создания данною блока являлось оформление печатной версии Красной книги Калужской области картографическим материалом. Но внедрение информации о распространении редких и исчезающих видов живых организмов в среду ГИС предоставляет множество новых возможностей для проведения э коло го-биологи чес к их исследований. Данные о распространении редких и исчезающих видов трибов, растений и животных могут служить для оценки территории по степени её заселённости редкими и исчезающими видами, как по группам видов, так и в среднем по отдельным группам (Букина, Козлова, 2001).
Внедрение данных о видах, занесённых в Красную книгу, и нуждающихся в особой охране в ГИС даёт высокий экономический эффект при проведении государственной экологической экспертизы. Оценка заселённости территории особо охраняемыми видами с помощью средств ГИС значительно экономит временные и денежные расходы (рис. 39). Так же блок карт распространения редких и исчезающих видов грибов, растений и животных используется как составляющая в сравнительных анализах экологических показателей территорий и комплексного анализа территории Калужской области.
Сравнительный анализ карт распространения редких и исчезающих видов грибов, растений и животных и суммарной биоиндикацонной карты на территории Калужской области в период с 1997 по 2000 годы
Для оценки качества окружающей среды используется множество показателей, картографическое представление которых дает возможность проводить сравнительный анализ с плотностью заселения территорий редкими и исчезающими видами. В представляемом примере качество окружающей среды оценивалось по интегральному показателю - коэффициенту флуктуирующей асимметрии берёзы повислой, картографической основой для анализа послужила математическая модель, обобщающая результаты исследований за период с 1997 по 2003 годы.
Модель за несколько лет использовалась так как данные по распространению краснокнижных видов собирались и уточнялись так же на протяжении нескольких лет (главным образом за последнее десятилетие). Математико-картографическая модель была совмещена со слоями распространения редких и исчезающих видов грибов растений и животных (рис. 42).
Мри сравнительном анализе состояния качества окружающей среды по коэффициенту флуктуирующей асимметрии (суммарная карта за период с 1997 по 2003 гг.) и местообитаний редких и исчезающих видов живых организмов выявлены следующие закономерности:
1. В районах, граничащих с Московской областью на севере области (Боровский. Жуковский. Тарусский) отмечается неблагоприятная экологическая обстановка. которая характеризуется, в том числе, и небольшим количеством населяющих эти территории редких и исчезающих видов. На юге области (граница Хвастовичского и Жиздринского районов), на юго-западе (Куйбышевский район), и в центре Мещовского района явно заметны области наиболее отрицательных показателей качества окружающей среды. В этих неблагоприятных областях местообитания редких и исчезающих видов отсутствуют.
2. Неблагоприятные районы, расположенные в долинах рек (на протяжении рек У гра. Жиздра вблизи города Козельск. северная окраина южного участка заповедника «Калужские засеки», часть реки Ресета у границ области) характеризуются средней плотностью заселения редкими и исчезающими видами. При этом участки реки Жиздра и притоки реки Угра характеризующиеся более благоприятной экологической обстановкой заселены плотнее.
3. Участки с благоприятной обстановкой (долина реки Оки в окрестностях города Калуги и на территории Перемышльского района территория заповедника «Калужские засеки», Спас-Деменский и Барятинский районы у границы области, окрестности города Людиново) достаточно густо заселены редкими и исчезающими видами.
На основании анализа можно сделать вывод о зависимости качества окружающей среды и плотности заселения территорий редкими и исчезающими видами животных, растений и грибов.
При этом важную роль играет рельеф местности, чем выше рельеф местности, тем более сильно проявляется зависимость плотности местообитания видов от состояния окружающей среды.
В долинах рек плотность видов уменьшается в пространстве при ухудшении качества среды, на больших высотах (от 200 метров) сходит на нет. При этом зависимости заселения территории редкими и исчезающими видами в зависимости от высот рельефа не обнаружено (рис. 43). Следовательно, наибольшая плотность местообитаний редких и исчезающих видов наблюдается в долинах крупных рек с хорошим качеством окружающей среды, а наименьшая на возвышенностях характеризующихся отрицательным состоянием окружающей среды.
