Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 . Обзор существующих подходов к обработке и представлениюинформации в задачах геоэкологической оценки состояния территорий 15
1.1. Основные тематические подходы к проведению геоэкологических исследований... 15
1.2. Методическое обеспечение геоэкологической оценки состояния территорий 17
1.3. Способы проведения геоэкологического районирования территории 20
1.4. Виды данных, используемые для решения геоэкологических задач 23
1.5. Геоинформационные технологии, применяемые в геоэкологических исследованиях 25
1.6. Основные направления исследований 36
Глава 2. Методика построения комплексной моделигеоэкологическогосостояния территории 37
2.1. Целевое назначение методики и постановка задачи исследований 37
2.2. Методические принципы описания геоэкологического состояния территории на основе построения компьютерной модели 38
2.3. Формулирование модели 40
2.3.1. Типы целевых установок геоэкологического районирования территории и системы их оценочных градаций 40
2.3.2. Основные группы факторов, определяющих базовый состав модели 41
2.3.3. Типизация ограничений, определяющих базовый состав модели 42
2.4. Формализация модели 49
2.4.1. Описание структуры модели 49
2.4.2. Способы формализованного описания природных и техногенных процессов .51
2.4.3. Оценка значимости факторов модели 53
2.5. Расчет модели 55
2.5.1. Формальный анализ качества данных 55
2.5.2. Способы проведения районирования территории в различных постановках задачи 56
2.5.3. Методы формальной интерпретации результатов районирования 58
Глава 3 . Компьютерная технология построения комплексной модели геоэкологического состояния территории 64
3.1. Назначение и возможности технологии 64
3.2. Описание разработанного программно-технологического обеспечения 66
3.2.1. Структура данных модели 66
3.2.2. Аналитические функции 66
3.2.3. Интерфейсный модуль 71
3.2.4. Сервисные функции 76
3.3. Описание компьютерной технологии построения комплексной геоэкологической модели территории 77
Глава 4. Результаты апробации разработанной компьютерной технологии при решении задач комплексной оценки геоэкологического состояния территорий 83
4.1. Оценка геоэкологических условий для планирования освоения минерально-сырьевой базы России 83
4.2. Оценка геоэкологической ситуации нефтегазоносных территорий Западной Сибири 89
4.3. Модель экологического состояния острова Лонг-Айленд 98
Заключение 103
Список литературы 104
Приложение 108
- Методическое обеспечение геоэкологической оценки состояния территорий
- Типизация ограничений, определяющих базовый состав модели
- Аналитические функции
- Оценка геоэкологических условий для планирования освоения минерально-сырьевой базы России
Введение к работе
Интенсивная разработка ресурсов недр - доминирующее в нашей стране направление природопользования - является источником серьезных негативных воздействий на окружающую среду осваиваемых регионов. Наиболее сильные изменения при этом испытывает геологическая среда. Она аккумулирует в себе основной объем загрязняющих веществ и механических нагрузок и передает его в остальные компоненты окружающей среды, таким образом во многом определяя общее экологическое состояние региона. Поэтому важным условием рационального недропользования является комплексная геоэкологическая оценка территории.
В задачу комплексной геоэкологической оценки территории входит анализ современного состояния геологической среды и прогноз возможных изменений в нем, провоцируемых антропогенной деятельностью. Очевидно, что получить строгое решение этой задачи, учитывающее весь комплекс взаимосвязей между природными и техногенными процессами на исследуемой территории, очень сложно - слишком широк спектр входящих в него переменных, и далеко не всегда известны математические функциональные зависимости, их связывающие. Сузить множество анализируемых параметров позволяет переход от реальной ситуации на исследуемой территории к ее геоэкологической модели - ограниченному набору факторов, определяющих свойства геологической среды и воздействия на нее и представляющих собой совокупность пространственных характеристик исследуемого участка поверхности Земли. В этом случае решение задачи может быть сведено к оценке интегральной картины проявления этих факторов с помощью районирования территории - разделения ее на области с определенным набором исходных факторов и ранжирования полученных объектов в зависимости от их значений. Интегральные аналитические карты, содержащие результаты районирования, являются обязательным этапом решения многих производственных задач (например, оценка эколого-геологических, геохимических условий, работы в рамках ОВОСа - оценки воздействия на окружающую среду при планировании объектов недропользования к освоению).
Научно-исследовательские работы в области геоэкологических исследований проводятся рядом ведущих институтов (ВСЕГИНГЕО, Гидроспецгеология, ИМГРЭ, МГУ, ВИЭМС, Аэрогеология, ВНИИгеосистем, и др.). В настоящее время хорошо проработана методология этого вопроса, созданы комплекты геоэкологических карт различной направленности и масштабов, опирающиеся на различные наборы оценочных критериев, приняты нормативные документы, содержащие методические рекомендации по проведению экологического картирования и регламентирующие состав основных анализируемых показателей.
Однако в технологической реализации этих задач до сих пор остаются определенные проблемы. Чисто информационный подход к геоэкологической модели как к набору карт на исследуемую территорию, используемый в настоящее время, не позволяет полностью учесть авторские модельные представления об анализируемой ситуации. Недостаточно проработанными остаются вопросы количественного описания исследуемых факторов и математический аппарат для их обработки. Стандартные геоинформационные системы, используемые в качестве программно-аналитического обеспечения исследовательских и производственных проектов, несмотря на широкий круг функциональных возможностей, требуют дополнительной адаптации к особенностям геоэкологических задач.
Актуальность проблемы, огромный объем информации по вышеперечисленным направлениям экологических исследований и высокий уровень современных информационных технологий, используемых в природопользовании, обуславливают необходимость создания единого методического подхода к формированию комплексной модели геоэкологического состояния территории и разработки новых технологических средств, обеспечивающих ее автоматизированное построение и компьютерный анализ входящих в нее факторов на основе алгоритмов многокритериального районирования.
Целью работы является разработка компьютерной геоинформационной технологии построения комплексной геоэкологической модели территории в задачах оценки и прогноза экологического состояния геологической среды.
Основные задачи исследований:
1. Провести обзор видов и особенностей представления геоэкологических данных, проанализировать существующие методические подходы к их обработке и определить место информационных технологий в их реализации.
2. Создать методику построения комплексной модели геоэкологического состояния территории на основе формализованного описания свойств геологической среды и воздействий на нее и их интегрирования методами многокритериального районирования.
3. Разработать технологию построения комплексной модели геоэкологического состояния территории и выполнить ее программную реализацию (алгоритмы обработки данных и пользовательский интерфейс).
4. Апробировать методику и программно-технологическое обеспечение на примере решения задач комплексной оценки геоэкологического состояния территорий, находящихся под интенсивным давлением горнодобывающего комплекса.
Научная новизна полученных результатов состоит в том, что
1. Впервые предложена обобщенная методика компьютерного построения комплексной геоэкологической модели территории на различных масштабных уровнях и для различных природных условий, основанная на типизации целевых функций, выделении основных групп факторов, их формализации и интегрировании методами многокритериального районирования.
2. Реализован экспертно-аналитический подход к анализу и интегрированию геоинформации, позволяющий автоматизировать процесс построения комплексной модели геоэкологического состояния территории в рамках компьютерной технологии.
3. Созданный единый пользовательский интерфейс, сопряженный с геоинформационной средой, обеспечивает построение иерархического дерева факторов модели, оценку значимости факторов и интервалов их значений, расчет формальных характеристик на основе векторных и растровых данных, проведение их интегральной оценки.
Практическая значимость проведенных исследований состоит в разработке программно-технологических средств, обеспечивающих автоматизацию построения геоэкологической модели исследуемой территории и проведение на ее основе районирования по комплексу природных и техногенных факторов, формулировании методических рекомендаций по применению этого подхода в задачах оценки экологических ситуаций и изучении состояния геологической среды на территориях с интенсивным развитием горнодобывающего комплекса.
Выполненные методические и программно-технологические разработки легли в основу проведения следующих научно-исследовательских проектов: создание комплекта электронных карт геоэкологических условий освоения минерально-сырьевой базы России, оценка геоэкологического состояния нефтегазоносных территорий (Ханты-Мансийский АО), разработка экологической модели острова Лонг-Айланд в рамках создания системы мониторинга состояния окружающей среды северо-восточного побережья США, построение геоэкологической модели при оценке состояния природных экосистем Пангодинской группы поднятий (Надым-Пурское междуречье).
Защищаемые положения:
1. Предлагаемая методика реализует все основные этапы формирования экспертной геоэкологической модели исследуемой территории и проведения на ее основе районирования по комплексу природных и техногенных факторов.
2. Разработанные с учетом специфики экологической информации программно-аналитические средства и пользовательский интерфейс, ориентированный на специалиста-предметника, обеспечивают построение комплексной модели геоэкологического состояния территории.
3. Разработанная компьютерная геоинформационная технология, обеспечивающая формализацию экспертных представлений об анализируемой территории и проведение многокритериального районирования, повышает эффективность оценки экологического состояния геологической среды.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержит 109 страниц машинописного текста, 46 иллюстраций. Список литературы включает 75 наименований.
Первая глава содержит обзор современных подходов к проведению геоэкологических исследований. Научно-исследовательские работы в этой области проводятся рядом ведущих институтов (ВСЕГИНГЕО, Гидроспецгеология, ИМГРЭ, МГУ, ВИЭМС, Аэрогеология, ВНИИгеосистем, и др.). Проведенный обзор современного состояния проблемы позволяет констатировать, что геоэкология, по-прежнему, остается одной из наиболее слабоформализованных областей знаний. Способы описания геоэкологической обстановки с помощью набора природно-техногенных факторов разнообразны. Анализ информации проводится, в основном, с помощью картографических методов (в первую очередь, районирования территории на основе экспертных оценок), а строгие математические зависимости для описания природно-техногенных процессов и их взаимосвязей пока не найдены. Характерной чертой этого подхода является широкое разнообразие методических подходов к выделению таких комплексов факторов и отсутствие нормативно утвержденной системы критериев для их оценки. В силу низкой комплексированности данных результирующие карты характеризуются высокой плотностью информации, что существенно затрудняет восприятие информации и делает «нечитаемыми» не только бумажные оригиналы геоэкологических карт, но даже их электронные версии. Именно поэтому одним из наиболее прогрессивных подходов к оценке геоэкологического состояния территории является создание моделей, позволяющих исследователю легко оперировать экспертными оценками.
Анализ видов, источников и особенностей представления геоэкологических данных показывает, что при анализе геоэкологического состояния территории исследователь сталкивается с необходимостью оперировать всеми формами представления информации: картами, растрами, таблицами, цифровыми данными. Поэтому оптимизировать проведение исследований, сократить время и усилия, затрачиваемые на привязку информации и выполнение картографических работ позволяет применение различных видов современных информационных технологий: многопрофильных инструментальных и специализированных ГИС, профессиональных пакетов обработки аэрокосмической информации, систем управления базами данных.
Проведенный обзор позволил обосновать актуальность разработки обобщенной методики и компьютерной технологии построения комплексной геоэкологической модели территории на основе автоматизации экспертно-аналитического подхода. Основные направления исследований сфокусируются — на разработке единого методического подхода к оценке геоэкологического состояния территории на основе построения комплексной модели, - на разработке способов формализации экспертных представлений, их комплексирования на основе многокритериального районирования и интерпретации результатов - на создании удобных технологических средств для постановки и решения задачи, обеспечивающих задание и изменение экспертных суждений и интегрирующих функциональные возможности различных программных комплексов.
Вторая глава посвящена описанию разработанной методики построения комплексной модели состояния территории. Целевым назначением разработки является унификация процесса построения компьютерной модели в задачах оценки геоэкологического состояния территорий, испытывающих воздействие со стороны горнопромышленного комплекса. В рамках этого направления выделяются следующие классы задач:
- оценка сложности условий освоения объектов минерально-сырьевой базы для экологически обоснованного выбора первоочередных объектов разработки на этапе регионального планирования развития добывающего комплекса;
- оценка воздействия на окружающую среду для анализа возможных негативных последствий при различных способах разработки месторождений и выбора наиболее щадящего варианта для природных экосистем на этапе освоения перспективных территорий;
- мониторинг состояния окружающей среды для отслеживания экологической ситуации на этапе контроля за уже эксплуатируемыми месторождениями.
Методической основой для формализации и решения выделенных задач является построение комплексной модели геоэкологического состояния территории. Такая модель определяется целевой функцией и набором факторов, отражающих свойства анализируемой среды, комплекс возмущающих и стабилизирующих воздействий на нее. Факторы описываются набором формальных пространственных характеристик с использованием количественных закономерностей, балльных оценок и качественных описаний. Расчет модели состоит в получении интегральной оценки совокупностей проявления выбранных факторов на основе районирования по комплексу их формальных характеристик. Согласно выделенным принципам методическая схема построения модели включает три основных этапа: формулирование модели, ее формализация и расчет.
Целью первого методического этапа является выбор целевой функции модели - цели районирования и системы оценочных градаций, в которых оно будет выполнено; а также определение состава модели - набора факторов для проведения районирования. Цель районирования определяется предметной постановкой задачи исследований. С точки зрения основных аспектов комплексной геоэкологической оценки, могут быть предложены следующие целевые установки для проведения районирования территории:
1. Анализ комплекса природных условий, включающий районирование по степени их сложности для освоения месторождений, уникальности природных объектов, ограничивающих промышленное развитие территории, и риска попадания в зону нарушения вследствие техногенной или природной катастрофы.
2. Анализ комплекса техногенных воздействий на основе районирования по уровню нарушенности основных компонентов природной среды (воздух, почвы, растительность) и интенсивности оказываемого на них воздействия (плотности расположения техногенных объектов).
3. Оценка отклика природной среды на оказываемое давлении с использованием районирования по устойчивости экосистем (способности сохранять свои свойства неизменными, испытывая определенные негативные воздействия) и их способности к самовосстановлению.
Анализ факторов, предлагаемых в различных проектах и методических руководствах для оценки и описания геоэкологической ситуации в задачах недропользования, позволяет типизировать их следующим образом:
- принимающие (природные), т.е. определяющие природные свойства анализируемой среды;
- возмущающие (техногенные), т.е. негативно воздействующие на ее состояние;
- стабилизирующие (природоохранные), т.е. компенсирующие оказываемое давление.
Состав конкретной модели определяется автором на основании анализа априорной информации об исследуемой территории исходя из целевой установки районирования, собственных взглядов на его проведение, а также объема и качества исходных данных. При этом объективными предпосылками, ограничивающими базовый состав используемых факторов, являются:
- тип физико-географической обстановки,
- тип анализируемого воздействия,
- масштабный уровень исследований.
Тип физико-географической обстановки определяет комплекс природных условий на исследуемой территории, основные закономерности в процессах энергетического и массового обмена между отдельными компонентами среды, что, в свою очередь, обуславливает сходный экологический отклик среды на техногенное воздействие. В основу типизации территории Российской Федерации по различным физико-географическим обстановкам может быть положено выделение геоэкосистем первого порядка на основе единства природно-климатических и геолого-структурных (тектонических) характеристик. Согласно такому подходу на территории Российской Федерации выделяются 13 геоэкосистем первого порядка.
Тип анализируемого воздействия определяет те направления техногенной нагрузки и характеристики компонентов природной среды, их принимающих, которые должны учитываться при оценке текущего геоэкологического состояния экосистем и возможных негативных изменений в нем, а также обуславливает основные природоохранные ограничения для их компенсации. В ходе освоения и эксплуатации месторождений характер воздействия на природную среду определяется, в первую очередь, видом полезного ископаемого и способом его разработки.
Масштабный уровень исследований обуславливает детальность получаемой оценки и определяется пространственным масштабом работ. Традиционно выделяют три масштабных уровня: обзорный, региональный и локальный. При обзорных исследованиях, как правило, оцениваются наиболее общие зависимости и закономерности в состоянии исследуемой территории, результирующая шкала на этом масштабе содержит две-три градаций и позволяет сформулировать предварительные суждения о допустимости промышленного освоения территории с экологических позиций с помощью номинальных или альтернативных оценок. Региональный уровень включает оценку геоэкологического состояния отдельных экосистем территории и их ранжирование в соответствии с целевой установкой исследований. В этом случае для оценки результата районирования применяется более подробная ранговая шкала, ее градации передают относительную степень изменения геоэкологического состояния экосистем от лучшего к худшему. На локальном уровне исследований проводится оценка фактического влияния конкретного объекта недропользования на состояние экосистемы на основании градаций количественной шкалы, отражающей изменение фактических показателей текущего геоэкологического состояния.
Целью второго этапа является переход от качественного описания модели к ее формальному описанию и расчет формальных характеристик проявления анализируемых факторов на исследуемой территории. Наиболее удобным способом формального описания модели является иерархическое дерево, начинающееся с цели районирования и включающее названия групп, подгрупп и самих анализируемых факторов. Формируя структуру модели, исследователь фактически намечает ход ее последующей обработки. Каждый узел ее структуры может рассматриваться как промежуточный этап районирования внутри группы факторов, в этом случае для каждого из них должна быть задана своя система результирующих оценочных градаций. Нижний уровень структуры заполняют формальные характеристики анализируемых факторов, описывающие их проявление на исследуемой территории и формирующие признаковое пространство для проведения районирования.
Расчет формальных характеристик проводится на основе картографической или математической обработки исходной информации (карт, баз данных, данных аэро- и космосъемок). В зависимости от постановки задачи и характера обрабатываемых материалов значения формальных характеристик могут быть получены в реальных физических единицах, ранговых шкалах или в форме качественных значений. Этап включает:
- выбор размера привязки информации;
- выбор функциональной зависимости и расчет формальных характеристик факторов модели;
- задание весовых параметров модели, определяющих значимость факторов и их значений для результирующей оценки.
Заключительный этап - расчет модели - включает экспертное уточнение модели на основе формального анализа качества данных, районирование территории, т.е. разделение ее на участки, однородные в смысле «близости» в многомерном признаковом пространстве, и их интерпретацию в соответствии с системой оценочных градаций модели. Формальное решение задачи районирования заключается в обработке признакового пространства с помощью классификационных алгоритмов. В основе этого класса алгоритмов лежит расчет т.н. «меры сходства» между наборами значений формальных признаков в ячейках, определяющей «близость» их в признаковом пространстве. В зависимости от предметной постановки задачи и типа анализируемых формальных характеристик могут быть предложены следующие способы проведения районирования:
1. Выделение областей, различающихся хотя бы по одному из входящих в модель факторов. Формализованное решение этой задачи предполагает группирование ячеек модели с одинаковыми наборами уникальных значений формальных признаков. Этот способ используется при проведении обзорного районирования, когда модель содержит небольшое количество факторов, представленных качественными малопредставительными значениями. Примером таких задач является выделение на исследуемой территории крупных геоэкосистем на основании анализа региональных климатических поясов и крупных тектонических структур, оценка общего уровня техногенной нагрузки на обзорном масштабе работ.
2. Выделение участков по степени «благоприятности» исходных факторов для оцениваемой обстановки. Данный способ применим только для обработки моделей, факторы которых имеют направление оси оценки и описываются ранговыми признаками. В этом случае в качестве показателя меры сходства, с помощью которого группируются ячейки модели, может быть использована взвешенная сумма значений формальных признаков. Такой подход используется при решении задач по оценке региональных и территориальных особенностей геоэкологического состояния исследуемого района, проведении районирования по комплексу факторов, отражающих сложность природных условий, уровень техногенной нарушенности, напряженность геоэкологической ситуации.
3. Выделение участков, характеризующихся наличием количественных закономерностей в значениях исходных факторов. Этот способ используется, если формальные характеристики отражают реальные физические величины, в вероятностном распределении их значений существуют естественные закономерности и необходимо выделить области им соответствующие. Формальные подходы к решению этой задачи основаны на объединении ячеек модели, естественным образом группирующихся в признаковом пространстве с помощью алгоритмов кластеризации или таксономии. Как правило, такие задачи возникают на детальном уровне исследований, когда факторы модели рассчитаны на основе обработки фактических результатов многократных замеров различных параметров, мультиспектральных изображений, цифровых моделей рельефа. В качестве примера можно привести геоморфологическое районирование территории на основании анализа морфометрических факторов: среднего превышения, угла уклона и экспозиции, кривизны склонов и т.д.
Наиболее сложным этапом является формальная интерпретация результатов, т.е. соотнесение полученного интегрального значения с системой оценочных градаций. В качестве методического обеспечения этого этапа предлагается использовать четыре основных поведенческих сценария.
Третья глава содержит описание разработанной компьютерной технологии построения модели. В основу технологии положен экспертно-аналитический подход к обработке данных - это позволяет исследователю контролировать ход решения задачи и обеспечивает возможность применения технологии в смежных областях исследований. Для реализации вышеописанных методических этапов разработан специализированный программный модуль, который может использоваться в форме внешнего расширения к стандартным геоинформационным системам.
В качестве ГИС-оболочки были использованы Arc View GIS 3.0 - наиболее распространенная на сегодня инструментальная ГИС, в которой работают многие научные организации и производственные предприятия, и GIS INTEGRO - специализированная прикладная ГИС, уже оснащенная рядом функций и интерфейсов для аналитической обработки данных. ГИС-оболочке переданы основные функции пространственного анализа данных:
- организация информационной базы проекта
- предобработка данных
- базовые пространственные и атрибутивные операции
- пересчеты «вектор-сеть»
- формальный анализ данных
- кластерный анализ (таксономия)
- визуализация информации
Разработанный программный модуль включает интерфейс пользователя (предметника), набор аналитических и сервисных функций. В ходе проектирования наибольшее внимание уделялось разработке удобных средств задания экспертных суждений (предпочтений, интервальных шкал и др.), алгоритмов обработки ранговых и номинальных значений, а также инструментов для обеспечения интерпретации результатов районирования. Интерфейсный модуль обеспечивает:
- построение «дерева» модели
- задание оценочных градаций целевой функции
- задание весов факторов и весов их значений
- указание связей модели с данными ГИС-проекта
- управление ходом расчета формальных характеристик
- задание способа и параметров районирования
- формальную интерпретацию результатов районирования
В ходе создания технологии в дополнении к стандартным функциям пространственного анализа в ГИС разработан набор аналитических процедур, обеспечивающих расчет формальных характеристик. Это оценка «взвешенного расстояния», нахождение наиболее «дешевого пути», расчет площади распространения и удельных концентраций исходного объема по мере удаления от источника с учетом потерь на ячейку. Кроме того модернизированы вычислительные функции районирования "По уникальным значениям", "По критериям", "К-средних".
Для организации взаимодействия между различными блоками модуля, ГИС-средой и пользователем разработан набор сервисных функций, обеспечивающий хранение и сопряжение данных, их динамическую визуализацию. Для хранения структуры модели используется XML-файл, открытый формат которого обеспечивает удобный доступ к информации и позволяет при необходимости расширить структуру данных.
В последнем разделе третьей главы иллюстрируются основные этапы разработанной технологии построения модели геоэкологического состояния территории:
1. Формулирование модельных представлений: априорный анализ геоэкологической ситуации для выделения основных факторов, возмущающих состояние природной среды региона, свойств среды, принимающих это воздействие и факторов, стабилизирующих ее состояние. Специалист-эколог выделяет объекты, процессы и явления, определяющие комплекс природных условий и направления производственной деятельности, анализирует взаимосвязи между ними и вклад каждого из выделенных факторов в общую экологическую ситуацию в регионе. В ходе исследований формируется информационная база: проводится анализ изученности территории, найденные материалы переводятся в цифровую форму, при необходимости актуализируются и объединяются в ГИС-проекте.
2. Формирование компьютерного представления структуры геоэкологической модели с помощью разработанного интерфейсного модуля. При этом исследователь может либо вручную задать цель районирования, названия групп, подгрупп и самих анализируемых факторов, либо автоматически сформировать базовый состав модели, воспользовавшись набором типовых классификаторов. Выбрав из списка меню целевую установку, соответствующую его задаче, тип физико-географической обстановки, в который попадает исследуемая территория, пользователь получает предварительную иерархию основных категорий природных и антропогенных факторов, которые должны учитываться при проведении районирования. Здесь же указывается масштаб, количество градаций результирующей оценки и при необходимости, их семантические определения (по шкале «плохо»-«хорошо»). Эти данные заносятся в модель и используются в ходе последующей обработки (определении размера расчетной ячейки, назначении весов значений факторов и др.). На любом из этапов задания модели исследователь может корректировать предлагаемые по умолчанию значения в соответствии с собственными модельными представлениями.
3. Расчет формальных характеристик факторов модели: выбор из информационной базы тематических слоев, по которым будет выполнятся расчет формального признака фактора, задание пространственных параметров анализа (размера ячейки сети и границы площади расчетов), выбор функциональной зависимости для описания фактора и расчет значений формального признака в ячейках сети. В ходе создания технологии стандартные функции пространственного анализа, используемые в ГИС, объединены в удобном пользовательском интерфейсе и дополнены новыми функциями для формализации и моделирования природно-техногенных процессов: оценка «взвешенного расстояния» от заданного источника, нахождение наиболее дешевого пути между объектами и расчет площади распространения и удельных концентраций исходного объема по мере удаления от источника с учетом потерь на единицу поверхности (ячейку). Далее задаются весовые параметры модели - веса факторов и веса значений их формальных признаков. Вес фактора указывается в виде количественной характеристики для каждой позиции модели или назначается в специальном диалоговом окне путем проведения последовательных парных сравнений ее элементов, находящих на одном иерархическом уровне. Веса значений каждого фактора упорядочивают исходные значения его формального признака по степени их «благоприятности» для результирующей оценки. При этом все факторы одной группы должны иметь единую систему весов значений. Для технологической поддержки этого этапа создан специализированный интерфейс, в котором исследователь группирует исходные значения признаков и указывает соответствия между ними и результирующими градациями данного узла модели. В нем предусмотрены различные способы интервальной разбивки диапазона значений признака (математически обоснованной и экспертной), возможность просмотра гистограммы по построенным диапазонам и удобная визуализация формального признака в новой ранговой шкале.
4. Формальный анализ качества признакового пространства для проверки сформированного массива формальных признаков с точки зрения их пригодности к обработке: представительности (вариабельности области значений), наличия дублирующих характеристик (с высокими модулями парных корреляций) и полноты покрытия анализируемой территории.
5. Районирование территории по набору формальных характеристик на основе последовательной обработки признакового пространства в каждом узле модели. В технологии реализованы три основных алгоритма расчета интегральной характеристики формальных признаков:
— «по уникальным значениям» - группирование ячеек с одинаковым набором значений по принципу их уникальности, по минимальному или максимальному значению в наборе - применяется в случае обработки качественных (номинальных) признаков;
— «по критериям» - расчет нормированной взвешенной суммы ранговых значений в ячейке, показывающей «общий вклад» факторов в анализируемое состояние, при этом реализованы различные способы ранговых оценок: по порядковому номеру градации, логарифмическая и степенная зависимость с учетом количества анализируемых признаков;
— «к-средних» - один из наиболее распространенных алгоритмов кластерного анализа, в котором в качестве центра выделяемого кластера используется среднее арифметическое наборов значений входящих в него ячеек, а расстояние определяется как сумма модулей разности между анализируемой точкой и центром кластера в пространстве признаков.
6. Тематическая интерпретация и оценка качества получаемых результатов районирования на основании комплексного анализа значений исходных факторов и их признаков в каждой ячейке с привлечением дополнительных сведений о геоэкологическом состоянии территории (картографических материалов, космоснимков и др.). Наиболее удачный ход обработки модели может быть зафиксирован для того, чтобы впоследствии при изменении исходных факторов или системы экспертных приоритетов «на лету» пересчитать модель и оценить возможные изменения в интегральной характеристике анализируемой обстановки.
Апробация технологического и программного обеспечения выполнялась на основе материалов научно-исследовательских проектов совместно с ведущими научными организациями в области экологии недропользования. В четвертой главе приводятся основные проекты, выполненные с использованием разработанной технологии.
Первый проект посвящен оценке геоэкологических условий для планирования освоения минерально-сырьевой базы России. Его цель состояла в общей оценке геоэкологических условий на территории Российской Федерации с позиций их сложности для освоения объектов минерально-сырьевой базы (МСБ). Для решения задачи создана модель, включающая следующие группы факторов:
— физико-географические условия, включая комплекс природных рисков (сеймичность, селеопасность, лавиноопасность) и другие характеристики, определяющие сложность ситуации для освоения месторождений;
— гидрогеологические условия (защищенность, качество и обеспеченность водными ресурсами);
- существующий уровень нарушенности природной среды (загрязнение и нарушение почв и др. компонентов среды, общая напряженность экологической ситуации);
- ограничения режима недропользования (заповедники, заказники, уникальные природные ресурсы и озерные системы, участки приоритетного землепользования);
Собранная в ходе проекта информационная база позволила описать интенсивность проявления выбранных факторов на исследуемой территории и выполнить компьютерное представление модели обзорного масштаба (1:5000000). Далее с помощью разработанных алгоритмов и программного обеспечения выполнялась комплексная обработка модели и проводилось районирование территории. На первом шаге выполнено районирование внутри выделенных групп факторов. Таким образом, оценивались степень сложности природных и гидрогеологических условий, подверженность территории природным рискам, интегральный уровень нарушенности геологической среды, а также выделялись участки, полностью закрытые для разработки в связи с природоохранными мероприятиями. На заключительном шаге с помощью комплексирования полученных интегральных оценок в пределах территории Российской Федерации выделены области с благоприятными, условно благоприятными и неблагоприятными условиями для проведения работ по освоению минерально-сырьевой базы.
По результатам проекта создана и поддерживается информационно-аналитическая система, включающая комплект электронных карт геоэкологических условий освоения МСБ России. В нее входят исходные картографические материалы и интегральные тематические карты, а также средства аналитической обработки для проведения научно-методических исследований. Система обеспечивает предоставление информации о степени сложности условий освоения МСБ в любой точке территории страны, формирование типового комплекта компенсационных природоохранных мероприятий с учетом исходных геоэкологических показателей и особенностей разрабатываемого месторождения, динамическое обновление интегральных карт при обновлении исходных данных, а также проведение районирования территории по выбранным тематическим слоям.
Цель второго проекта состояла в анализе геоэкологического состояния территорий Западной Сибири, испытывающих интенсивную нагрузку со стороны нефтедобывающего комплекса. В задачи исследований входили оценка состояния природных экосистем, выделение и анализ основных возмущающих его факторов и прогноз возможных последствий их воздействия. В качестве региона исследований выбран Ханты-Мансийский автономный округ: на его территории представлен весь спектр современных экологических проблем, стоящих сегодня перед нефтегазовым комплексом.
Исследования проводились на трех масштабных уровнях: обзорном (1:1000000) -Ханты-Мансийский округ в целом, региональном (1:200000) - территория одного из активно разрабатываемых месторождений (Приобское) и локальном (1:50000) - на участке наиболее интенсивной разработки этого месторождения.
Для каждого из масштабных уровней на основе анализа научно-исследовательских работ и современных экологических проектов создавалась отдельная модель, проводилось ее наполнение и выполнялось комплексное районирование территории. Целевой установкой районирования на обзорном масштабе являлась оценка благоприятности геоэкологических условий для освоения месторождений. В модель вошли три основные группы факторов:
- общие климатические, геокриологические, ландшафтные и геоморфологические факторы, обуславливающие уязвимость ландшафтов округа и потенциал их самоочищения;
- плотность объектов техногенного воздействия и существующий уровень нарушенности, определяющие интенсивность нагрузки на природную среду;
- природоохранные ограничения, накладывающие частичный или полный запрет на проведение разработки.
По результатам обработки модели в пределах округа выделены территории с благоприятными, условно благоприятными и неблагоприятными условиями для освоения месторождений, а также участки, запрещенные к разработке, и выявлены нарушители режима недропользования.
На следующем масштабном уровне цель районирования состояла в оценке напряженности геоэкологического состояния с учетом ввода в эксплуатацию проектируемых объектов промысловой инфраструктуры месторождения. В модель включены две группы факторов:
- ландшафтные факторы, определяющие устойчивость природных экосистем к воздействию со стороны нефтегазового комплекса;
- зоны влияния объектов промысловой инфраструктуры, отражающие интенсивность существующего и проектируемого давления на экосистемы.
Комплексное районирование по этим группам факторов позволило разделить территорию на области с крайне напряженным, напряженным, условно стабильным и стабильным состоянием экосистем, а также выделить объекты проектируемой инфраструктуры, требующие повышенного внимания при постановке и эксплуатации.
Последний масштаб исследований предполагал оценку степени экологической опасности существующих и проектируемых объектов промысловой инфраструктуры для выработки конкретных рекомендаций, обеспечивающих наиболее щадящий режим дальнейшего освоения территории. Сформированная модель включала факторы, определяющие проницаемость почв, уязвимость ландшафтов и близость к речной сети. По результатам районирования в пределах исследуемого участка выделены зоны с крайне высоким, высоким, средним и низким уровнем экологической опасности. Совместная интерпретация результатов районирования и значений исходных геоэкологических показателей позволила сформировать комплекты компенсирующих мероприятий для каждого из проектируемых объектов промысла.
По результатам проекта создан макет информационно-аналитической системы оценки и мониторинга геоэкологической ситуации в нефтегазоносных районах Западной Сибири. Система может быть использована в качестве информационной поддержки решения задач управления качеством окружающей среды с целью обеспечения экологической безопасности и рационального природопользования.
Последний проект посвящен построению экологической модели территории острова Лонг-Айленд (США). Работы выполнялись в рамках создания системы мониторинга состояния окружающей среды северо-восточного побережья США совместно с Экологическим департаментом Брукхейвенской национальной лаборатории. Первый этап включал разработку прототипа модели экологического состояния территории на примере острова Лонг-Айленд.
В качестве исходных данных использованы материалы, размещенные на официальных интернет-сайтах. Массив информации включал различные тематические карты, спектрозональные аэрофото- и космоснимки территории за несколько лет, базы данных различных природоохранных организаций, содержащие результаты исследований качества компонентов окружающей среды.
В ходе проекта выделены масштабные уровни исследований, проанализированы основные компоненты природной среды, их взаимосвязи, а также факторы, воздействующие на их состояние, и сформулирована модель окружающей среды исследуемого региона. На ее основе были зафиксированы следующие направления мониторинга:
- мониторинг состояния береговой зоны, оценка возможного ущерба и определение компенсирующих мероприятий;
- мониторинг состояния водных ресурсов, контроль за источниками и миграцией загрязнений;
- оценка состояния природных ландшафтов и оценка их устойчивости к антропогенному воздействию.
По выбранным направлениям проводилась тематическая обработка исходных материалов. В частности, на основе анализа цифровых моделей рельефа и 3D-моделирования выполнено геоморфологическое районирование территории. Проведен анализ состояния и изменений береговой линии и природных ландшафтов по космоснимкам за несколько лет. Оценена динамика загрязнения поверхностных вод с использованием базы данных Агенства по охране окружающей среды (Environmental Protection Agency, ЕРА).
Основные результаты представленной диссертационной работы докладывались на Всероссийской научно-практической конференции «Геоэкологическое картографирование» (п. Зеленый, 1998 г), VI конференции пользователей программных продуктов ESRI & ERDAS в России и странах СНГ (Голицыне, 2000 г.), XXIX и XXX Международных конференциях «Информационные технологии в науке, образовании и бизнесе» (Гурзуф, 2002 г. - 2003 г.), IV Европейском конгрессе региональной картографии и информационных систем в природоведении (4th Europian Congress on Regional Cartography and Information Systems, Италия, Болонья, 2003 г.), Международной конференции «Математическое моделирование природных экосистем» (Казахстан, Алматы, 2003 г.). Выполненные методические и программно-технологические разработки легли в основу проведения ряда научно-исследовательских проектов по оценке геоэкологического состояния российских и зарубежных территорий.
Диссертация основана на теоретических, методических и экспериментальных исследованиях, выполненных автором в 1998-2003 гг. Основные теоретические, методические и технологические результаты получены непосредственно автором и всесторонне отражены в публикациях. Автором разработана методика, аналитические и инструментальные средства, обеспечивающие все этапы компьютерной технологии построения комплексных моделей геоэкологического состояния территорий и реализующие экспертно-аналитический подход к решению задачи. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 печатных работ, в том числе 4 печатные работы в журнале «Геоинформатика».
Диссертация выполнена под научным руководством д.т.н., проф. Е.Н.Черемисиной, которой автор выражает глубокую благодарность, а также благодарит к.т.н. О.В.Митракову, к.г.-м.н. О.ИЛарикову, Д.Б.Аракчеева, Е.В.Данилову, К.В.Деева, В.А.Спиридонова за консультации и помощь в работе и выражает признательность В.С.Ваксину, С.С.Трусову и И.А.Халявкиной за оказанную поддержку в оформлении и подготовке презентационных материалов.
Методическое обеспечение геоэкологической оценки состояния территорий
Комплексная оценка геоэкологического состояния территории предполагает анализ современного состояния геологической среды и прогноз возможных изменений в нем, провоцируемых антропогенной деятельностью. Очевидно, что получить строгое решение этой задачи, учитывающее весь комплекс взаимосвязей между природными и техногенными процессами на исследуемой территории, очень сложно - слишком широк спектр входящих в него переменных и далеко не всегда известны математические функциональные зависимости, их связывающие. Сузить множество анализируемых параметров позволяет переход от реальной ситуации на исследуемой территории к ее геоэкологической модели - ограниченному набору факторов, определяющих свойства геологической среды и воздействия на нее и представляющих собой совокупность пространственных характеристик исследуемого участка поверхности Земли. Базовым методическим подходом к созданию таких геоэкологических моделей территорий является построение карт геоэкологического (эколого-геологического) содержания и проведение на их основе районирования территории, т.е. разделения ее на области с определенным набором исходных геоэкологических показателей и ранжирования полученных объектов в зависимости от их значений.
Согласно методическим требования к геолого-экологическим исследованиям и картографированию на различных масштабах [12-14] под геоэкологическим (эколого-геологическим) картографированием понимается отображение состояния геологической среды и происходящих в ней процессов, оказывающих влияние на экосистемы и среду обитания человека. Под геологической средой здесь понимается верхняя часть литосферы и подземной гидросферы, активно взаимодействующая компонентами ландшафта и находящаяся под влиянием техногенной деятельности, а основными объектами картографирования являются, соответственно геологическая среда, отдельные компоненты смежных с ней сред (поверхностные воды, ландшафты), а также объекты техногенной нагрузки и их воздействие на среды.
Под геоэкологическим картографированием по мнению М.В. Кочеткова, В.А.Грабовникова, Л.В.Леоненко [25] понимается отображение на топографической основе определенного масштаба экологического состояния геологической среды в естественных условиях и его изменений, вызванных хозяйственной деятельностью.
По мнению Г.А. Голодковской и М.Б. Куринова [15] конечной целью геоэкологического картографирования является создание моделей, которые могли бы использоваться для обоснования предельно допустимых нагрузок на окружающую среду, обоснования и организации геоэкологического мониторинга, прогнозирования геоэкологической ситуации в связи с изменением природных условий и интенсификацией инженерно-хозяйственной деятельности человека, обоснования управляющих решений и, в конечном счете, для выбора концепции экономического развития региона и экологической политики. При этом методология геоэкологического картографирования представляется схемой: «факты (сбор имеющейся и специально полученной информации) - отображение их на картах (анализ и оценка информации, выявление взаимосвязей) -обобщение, сопоставление гипотез с фактами путем создания оценочных геоэкологических карт и карт геоэкологического районирования - создание модели процесса и прогнозных геоэкологических карт - картографические модели рационального использования территории (ее приоритетное использование, регламентация хозяйственной деятельности объектов био- и социосферы, геоэкологического риска и ущерба)».
В.Т.Трофимов, Д.Г.Зилинг [57] считают, что эколого-геологические карты должны представлять собой графо-математическую модель эколого-геологической обстановки, дающую обобщенное изображение на топографической основе оценки состояния компонентов литосферы, отражающих ее экологические свойства (ресурсная, геодинамическая, геофизико-геохимическая функции). Реализация данного подхода предлагается на основе следующих концептуальных положений:1) выделение в качестве основных картируемых показателей интегральных или покомпонентных оценок эколого-геологического состояния литосферы и их ранжирование по классу состояний, которые учитывают степень благоприятности проживания населения или состояния биоты; 2) ранжирование состояний компонентов литосферы производиться на согласованное число классов; 3) критериями выделения зон экологического состояния экосистем и классов состояния литосферы служит ряд показателей, которые разделяются на тематические, пространственные и динамические; 4) выделение зон и классов экологического состояния территории может и должно осуществляться на основе небольшого числа наиболее представительных показателей, но обязательно с использованием и учетом тематических, пространственных и динамических критериев оценки; 5) основное требование к геологической основе эколого-геологических карт -отображение на ней показателей, на базе которых можно дать объективную площадную оценку эколого-геологического состояния картируемого компонента литосферы (установить его граничные условия) и обеспечить возможность прогнозных оценок; 6) эколого-геологические карты могут быть двух типов - оценочные и оценочно-прогнозные. Нормативно-методическое обеспечение геоэкологических исследований обосновывается следующими документами: 1. Требования к геолого-экологическим исследованиям и картографированию масштабов 1:1000 000 - 1:500 000; 1:200 000 - 1:100 000; 1:50 000 - 1:25 000 (ВСЕГИНГЕО, 1990 г.). 2. Легенда к Геоэкологической карте масштаба 1:1 000 000, («Гидроспецгеология», 1991 г.) 3. Методические рекомендации по составлению эколого-геологических карт масштаба 1: 1 000 000, сводная легенда и макеты (ВСЕГИНГЕО, ИМГРЭ, 1994 г.) 4. Требования к гидрогеологической съемке масштаба 1:200 000 с эколого-геологическими исследованиями и картографированием (ВСЕГИНГЕО, 1995 г.).
Типизация ограничений, определяющих базовый состав модели
Состав конкретной модели определяется автором на основании анализа априорной информации об исследуемой территории исходя из целевой установки районирования, собственных взглядов на его проведение, а также объема и качества исходных данных. При этом объективными предпосылками, ограничивающими состав модели, являются:- тип физико-географической обстановки, - тип анализируемого воздействия, - масштабный уровень исследований. Тип физико-географической обстановки
Тип физико-географической обстановки определяет комплекс природных условий на исследуемой территории, основные закономерности в процессах энергетического и массового обмена между отдельными компонентами среды, что, в свою очередь, обуславливает сходный экологический отклик среды на техногенное воздействие.
В основу типизации территории Российской Федерации по различным физико-географическим обстановкам может быть положено выделение геоэкосистем первого порядка - крупных замкнутых структур с определенной геологической средой, режимом и составом подземных вод, однотипным климатом и биогеоценозом (Бгатов, 1993). Существует несколько методических подходов к выделению геоэкосистем в задачах геоэкологического районирования:Анализ вышеперечисленных подходов позволяет выделить два наиболее общих основообразующих элемента, так или иначе встречающихся в каждом из них. Это природно-климатические и геолого-структурные (тектонические) характеристики.
Тектоника является фактором, определяющим строение рельефа, который, в свою очередь, определяет ландшафтные особенности регионов и влияет на скорость водообмена и окислительно-восстановительные процессы. Гидрогеологические условия (конфигурация бассейнов подземных вод) в значительной степени также зависят от тектонического строения регионов. Бассейны подземных вод складчатых областей нередко представляют собой области питания для прилегающих платформенных гидрогеологических бассейнов. В тектоническом отношении при выделении геоэкосистем первого порядка достаточно разделять исследуемую территорию на платформенные и складчатые области. На равнинных территориях платформенных областей широкое распространение имеют экзогенные геологические процессы, такие как эрозия, карстообразование, суффозия, оврагообразование, наводнения и т.д. Горные районы складчатых областей в значительной степени подвержены лавинно-, селе- и сейсмоопасным процессам. Энергии водообмена также различны на платформах и в складчатых областях. Для равнинных областей характерна восстановительная обстановка с водозастойным режимом. Вещества мигрируют в основном в растворенном состоянии. В горных районах преобладают окислительные условия и повышается значение миграции веществ во взвешенном состоянии.
Природно-климатические условия в значительной степени определяют процессы миграции загрязняющих веществ, скорость их разложения, способность окружающей среды к самовосстановлению, сильно отличающиеся в различных климатических зонах. Особое значение имеют районы распространения многолетнемерзлых пород, где замедляются процессы разложения загрязняющих веществ и наоборот, активизируются геокриологические процессы. В этом отношении для типизации геоэкосистем первого порядка на территории России целесообразно выделять арктическую, субарктическую, бореальную и субтропическую зоны.
Согласно такому подходу в на территории Российской Федерации (рис. 2.2) можно выделить 13 геоэкосистем первого порядка:Северная субарктическая часть Русской платформы характеризуется широким распространением островной многолетней мерзлоты, сезонным и многолетним промерзанием - оттаиванием мерзлоты, что вызывает интенсивное развитие процессов морозобойного растрескивания, термокарста, солифлюкции, пучения, образования и движения курумов. Опасность представляют также снежные лавины в горной части Кольского полуострова.
Центральная часть Русской платформы. Широкое развитие здесь получили карстовые процессы в гипсовых и карбонатных отложениях. По долинам крупных рек активно развиваются оползневые процессы, захватывающие большие территории, а по берегам многочисленных водохранилищ наблюдается интенсивное развитие процессов переработки берегов. Большое распространение имеют процессы подтопления, вызванные строительством водохранилищ на равнинных реках. Значительно развита и овражная эрозия.
В пустынных и полупустынных частях юга Русской платформы сухость климата и преобладание процессов испарения над осадками способствуют интенсивному развитию процессов континентального засоления, дефляции, такырообразования. Широкое развитие лессов и лессовидных пород вызывает просадки почв на больших территориях. Интенсивно развиваются процессы эрозии. Арктическая зона пустынь и субарктическая зона тундр и лесотундр Западно-Сибирской плиты характеризуется повсеместным распространением мерзлых пород большой мощности с высокой льдистостью привело к активному развитию криогенных процессов - термокарста, криогенного пучения, солифлюкции и др.
Аналитические функции
В дополнении к широкому набору функций пространственно-атрибутивного анализа, предоставляемых геоинформационными системами, были разработаны аналитические функции для расчета формальных характеристик факторов модели. Основным технологическим требованием к аналитическому аппарату являлась его обособленность от ГИС-оболочки и интерфейсов пользователя и оперирование только набором количественных значений и управляющих параметров. Поэтому функции разрабатывались в форме внешних библиотек (dll) в среде C++Builder - интегрированной среде визуальной разработки программного обеспечния.
Основанные на алгоритмах оценки «взвешенного» расстояния они позволяют формализовать пространственные (или временные) характеристики распространения события с математических позиций. При разработке функций использовался подход к оценке такого расстояния, предлагаемый разработчиками модуля GRID ARC/INFO. Расчеты функций проводятся по регулярной прямоугольной сети с квадратной ячейкой (грид). Базовыми понятиями для описания этого семейства функций используются:
Исходная поверхность - грид, идентифицирующий точку (или зону) начала движения. Источников может быть несколько, они представляются любым значимым значением (не пропуском). Стоимостная (фрикционная, импедансная) поверхность - грид, содержащий в ячейках стоимость прохождения (импеданс) через них, выраженную в каких-либо стоимостных единицах (время пути, рубли, предпочтительность и т.д.).Горизонтальный и вертикальный факторы - гриды, определяющие «сложность» продвижения в горизонтальной и вертикальной плоскостях.Оценка «взвешенного расстояния» от заданного источника
Функция подобна функции Евклидова расстояния, но вместо вычисления фактического расстояния одной точки от другой, определяет кратчайшее расстояние по стоимости из каждой ячейки до ближайшей в наборе исходных ячеек. Второе отличие состоит в том, что функция определения стоимостного расстояния применима к расстоянию, измеряемому не в географических, а в стоимостных единицах.При расчете функции значение каждой ячейки в стоимостном гриде суммируется, чтобы представить стоимость за единицу расстояния при проходе через ячейку, где единичное расстояние соответствует ширине ячейки.
Суммирование начинается с той ячейки, которая показана как источник в соответствующем гриде. Результатом является грид, в котором каждой ячейке присваивается суммарная стоимость до ближайшей исходной ячейки. Алгоритм использует представление узел/соединение для ячейки. В представлении узел/соединение, центр каждой ячейки рассматривается как узел, и каждый узел присоединяется к соседним узлам:
Для того, чтобы учесть горизонтальный и вертикальный факторы движения по стоимостной поверхности, в функцию вводятся дополнительные параметры.
Горизонтальный dpaKTop(HF) влияет на общую стоимость продвижения через ячейку, учитывая любое «горизонтальное трение». Общее значение фактора складывается из долей соединения между центром и краем исходной и конечной ячеек. Определение горизонтального фактора стоимости для каждой доли соединения представляет двухступенчатый процесс.
Входным параметром, определяющим горизонтальный фактор, является сетка, содержащая в ячейках направления воздействия фактора. Значения задаются в градусах и определяются углом между направлением соединения и условным «Севером» (направлением наверх):
Таким образом сила воздействия фактора (Л) на стоимость движения будет определяться углом между анализируемой долей соединения (направлением на ячейку) и направлением фактора в ней. Могут быть предложены следующие функциональные зависимости, определяющие эту взаимосвязь:- линейная прямая- линейная обратная- бинарная- многоступенчатаяТаким образом стоимость пути между ячейками А и В с учетом горизонтального фактора будет равна:costA hA + costB hBcdist. =S 1 2где S =S при передвижении к ближайшим соседямS = 1.414216 S при передвижении по диагонали
Оценка геоэкологических условий для планирования освоения минерально-сырьевой базы России
объектов минерально-сырьевой базы (МСБ), получении комплексной характеристики, отражающей степень их благоприятности, и определении комплекса природоохранных мероприятий, который необходим для компенсации негативного воздействия на среду. В качестве рабочего принят обзорный масштаб 1:5 000 000. Проект выполнялся совместно со специалистами ВИЭМСа.
На предварительном этапе работ формулировались модельные представления и формировалась информационная база проекта. Исходные показатели геоэкологического состояния окружающей среды Российской Федерации были представлены в форме комплекта электронных карт, сгруппированных в шесть крупных тематических блоков:1. Минерально-сырьевая база. Для характеристики минерально-сырьевой базы в комплект электронных карт вошли сведения о основных типах полезных ископаемых, добываемых на территории РФ и их площадном распространении. Сюда же включены основные месторождения ПИ и база данных к ним. Кроме этого для оценки условий разработки МСБ в комплект карт включены данные о инфраструктуре добывающей отрасли - транспортная сеть, горнодобывающие и горнообогатительные комбинаты, трубопроводы, и сведения о источниках электроэнергии - АЭС и т.д.2. Природные условия. Анализ этой группы факторов позволит оценить уровеньсложности природных условий с точки зрения освоения месторождений. Из множествагеологических, географических и климатических факторов были выбраны те, которыеимеют влияние на условия освоения месторождений. Комплексная оценка природныхрисков включала анализ современного уровня лавино- и селеопасности исейсмоактивности. В комплект включены сведения о распространениимноголетнемерзлых пород и интенсивности проявления экзогенных геологическихпроцессов. В качестве фактора, определяющего устойчивость природной среды квнешнему воздействию использован потенциал самоочищения ландшафтов.3. Гидрогеологические условия освоения МСБ. Для освоения и разработкиместорождений важно иметь сведения о обеспеченности данной территории воднымиресурсами. Для получения этих данных были выбраны следующие факторы:- сведения о возможной производительности водозаборов и качество минерализации подземных вод;- данные о водоснабжении городов;Одновременной с этим необходимо знать уровень защищенности подземных вод для оценки перспектив их использования в будущем. Поэтому для районирования территории по уровню гидрогеологических условия мы также использовали сведения о- защищенности от загрязнения и химическом составе напорных и безнапорных вод;- объектах - загрязнителях водных ресурсов;- зонах влияния извлечения подземных вод группами водозаборов и шахтным водоотливом (депрессионных воронках); 4. Уникальные и особо ценные природные ресурсы и объекты. Сохранениеприродных богатств России - одна из наиболее важных задач, возникающих в процессеразработки и освоении МСБ. Поэтому в отдельную группу факторов вынесеныпоказатели, характеризующие ценность и природную значимость территории:— наличие действующих и проектируемых заповедников;— уникальные озерные системы;— места распространения черноземов;— ягельные пастбища;— леса первой группы;— места компактного проживания малочисленных народов Севера и наличие зон приоритетного природопользования для них.Эти показатели позволили в итоге обозначить территории, охраняемые законом (действующие заповедники), зоны, где уникальные объекты отсутствуют и зоны с различным количеством уникальных объектов.5. Антропогенные изменения окружающей среды. Для объективной оценкисовременного состояния ОС важно знать существующий уровень техногенной нагрузки наприродную среду. Для оценки вредного воздействия, оказываемого на среду, в комплекткарт включены факторы, отражающие следующие негативные последствия этоговоздействия:— земельные нарушения от горнодобывающих и горноперерабатывающих предприятий и при проведении геологоразведочных работ;— области с различной тепень загрязнения почв;— города с наибольшим загрязнением атмосферы;— уровень загрязнения в бассейнах крупных рек;— текущая экологическая ситуация и зоны кризисной экологической обстановки.На основании анализа выделенных факторов получена интегральная картина техногенных нарушений природных экосистем.6. Социално-экономические факторы. Для целей освоения минерально-сырьевойбазы и проведения геологоразведочных работ важно учитывать социально-экономическиеаспекты развития региона в целом. Поэтому в комплект карт включены сведения оплотности, естественном приросте и обеспеченности населения пресными подземнымиводами. Кроме того как показатель неблагоприятных условий жизни включенаинформация о уровне заболеваемости злокачественными новообразованиями и количествебезработных в регионе. Анализ этих сведений позволяет выявить первоочередные зоныдля развития минерально-сырьевой базы и снятия оциальной напряженности.
Создание электронных карт проводилось с использованием GIS ARC/INFO. В качестве топографической основы использовался фрагмент цифрового атласа мира Digital Chart of the World, генерализованный до требуемого масштабного уровня. Тип картографической проекции - равнопромежуточная коническая, эллипсоид Красовского. В ее состав входят гидросеть, береговая линия, административное деление, крупные населенные пункты, границы РФ и сопредельных стран. Подготовка картографических материалов включала: координатную привязку тематических слоев и их сопряжение с топографической основой, систематизацию фактографической информации и создание базы данных для организации справочной информации.Далее в рамках сформулированных модельных представлений для решения задачи создана модель (рис. 4.1), описывающая благоприятность условий освоения месторождений. В нее вошли: физико-географические условия, включая комплекс природных рисковеймичность, селеопасность, лавиноопасность) и другие характеристики, определяющиесложность ситуации для освоения месторождений;
