Содержание к диссертации
Введение
1. Мониторинг окружающей среды как информационная система 13
1.1. Потребности в информации об окружающей среде и задачи информационного обеспечения 13
1.2. Тематические области мониторинга 24
1.3. Отраслевые подсистемы и территориальные уровни мониторинга 34
1.4. Организация мониторинга на основе комплексного усвоения данных 51
1.4.1. Общие положения 51
1.4.2. Картографическое обеспечение и литомониторинг 53
1.4.3. Усвоение гидрометеорологических данных 55
1.4.4. Мониторинг геохимических циклов и геохимических аномалий 65
1.4.5. Биологический мониторинг 75
1.4.6. Демографические и социально-экономические показатели в информационной системе мониторинга 79
2. Концепция информационного обеспечения мониторинга 85
2.1. Общие требования к информации об окружающей среде 86
2.2. Пространственно-временная изменчивость объектов мониторинга и задачи вероятностной интерпретации данных 98
2.3. Классификация данных мониторинга по способам их получения 112
2.4. Использование текущих, климатических и расчетных данных в системах мониторинга 125
2.5. Способы оценки данных 139
3. Геоинформационные аспекты мониторинга 146
3.1. Особенности интерпретации картографических данных 149
3.1.1. Общегеографические и навигационные карты 152
3.1.2. Тематические карты 159
3.2. Формирование базы данных на картографической основе 176
3.3. Проведение картометрических расчетов 189
3.4. Информационное наполнение базы данных 211
4. Принципы организации региональных эколого-информационных систем 224
4.1. Общие требования к эколого-информационной системе 224
4.2. Комплексный мониторинг прибрежной зоны (на примере Кольского залива Баренцева моря) 230
4.3. Состояние информационного обеспечения мониторинга Кольского залива и возможности его оптимизации 240
4.4. Региональный экологический мониторинг Европейского Севера России (акватории и водосборных бассейнов Баренцева и Белого морей) 257
4.4.1. Постановка задачи 257
4.4.2. Европейский Север России в действующих подсистемах мониторинга 265
4.4.3. Организация и функционирование региональной эколого-информационной системы 272
5. Научно-техническая продукция мониторинга 280
5.1. Особенности научно-технической продукции в условиях плановой и рыночной экономики 280
5.2. Традиционные и новые формы представления данных 289
5.3. Области применения научно-технической продукции мониторинга 295
5.3.1. Административное управление и хозяйственная деятельность 297
5.3.2. Экологическое и географическое образование 307
5.4. О стоимостной оценке мониторинговых данных 312
5.5. Организация доступа к данным с учетом их вероятностной интерпретации 319
5.6. Экономическое обоснование системы наблюдений и использования расчетных методов 323
Заключение 330
- Организация мониторинга на основе комплексного усвоения данных
- Пространственно-временная изменчивость объектов мониторинга и задачи вероятностной интерпретации данных
- Формирование базы данных на картографической основе
- Региональный экологический мониторинг Европейского Севера России (акватории и водосборных бассейнов Баренцева и Белого морей)
Введение к работе
Значение информации* в современном мире общепризнано, тем не менее сама она еще не стала в полной мере объектом исследования. В перечнях научных направлений и учебных дисциплин информатика обычно сводится к информационным технологиям. Этоотносится и к; ее подразделениям: био-, эко-, геоинформатике. Ускоренное развитие средств; передачи: и- обработки данных поглощает интеллектуальные ресурсы общества и в определенной мере отвлекает внимание от содержательной стороны информации. Многочисленные отчеты и публикации по результатам мониторинга, окружающей: среды обязательно содержат описания приборов и методов и лишь в виде исключения (если вообще когда-либо) - анализ спроса на информацию, оценку полученных данных в контексте существующего уровня знаний, сведения: о затратах на получение информации и эффективности ее использования.
В данной диссертации: предпринята попытка разработки целостной концепции информационного обеспечения и интерпретации данных в системах мониторинга окружающей среды. Как нам представляется, единый подход к информации об объектах и процессах в * географической оболочке, основанный на их вероятностных свойствах, позволяет получить ряд нетривиальных:рекомендаций; по организации мониторинга, создать методологию оценки достоверности и качества данных, предложить новые решения в областях геоинформатики, тематической картографии, экономики и правового обеспечения природопользования;
Актуальность, исследования. Информация об окружающей среде
лежит в основе любой познавательной и практической деятельности-
людей. К мониторингу среды с полным основанием можно отнести
геодезические съемки и обновление топографических карт, все виды
гидрометеорологических наблюдений, оценки минеральных,
биологических и других ресурсов, прослеживание динамики естественных
и антропогенных ландшафтов, фенологические наблюдения. Данные мониторинга постоянно используются для принятия управленческих решений, связанных с оценкой условий жизнедеятельности, освоением природных ресурсов, охраной природы. Именно этим определяются целесообразность проведения мониторинга и его экономическая эффективность.
Представление о мониторинге нередко сводится к проведению наблюдений и обработке их результатов. Однако наблюдения: являются необходимым, но не достаточным условием достижения цели мониторинга - наиболее полной! и достоверной оценки состояния окружающей среды; Даже самая совершенная система наблюдений сама по себе может обеспечить лишь* незначительную часть потенциально; необходимой информации. Полученные натурные данные всегда подлежат смысловой и вероятностной * интерпретации, иначе каждое наблюдение остается изолированным фактом, не имеющим самостоятельной ценности. Поэтому ключевым понятием мониторинга следует считать не наблюдения, а информацию о состоянии среды, оформленную в виде научно-технической продукции (НТП).
Прикладные задачи, связанные с информацией (разработка требований к первичным; данным, организация информационных потоков, методы статистической обработки), решаются во всех тематических областях мониторинга, однако целостная концепция его информационного обеспечения пока отсутствует. Не. выработаны единые научно-методические подходы к анализу разнородной и разномасштабной экологической информации. На практике это приводит к несогласованности отраслевых подсистем мониторинга, дефициту или избыточности данных, поступающих к потребителям, обилию произвольных, неточных (или мнимо точных) и устаревших сведений, среди которых теряется объективная и достоверная информация. G учетом этого корректная интерпретация данных необходима как для оптимальной
организации мониторинга, так и для оценки (информации, полученной из литературных источников, архивов, информационных сетей.
Предлагаемая в> данной работе концепция информационного обеспечения основана- на последовательном проведении вероятностных представлений обо всех естественных и антропогенных объектах мониторинга. Такой подход общепризнан и достаточно полно-освоен в гидрометеорологии, где этому способствуют однородность воздушной и водной среды, наличие длительных: рядов наблюдений, устойчивый спрос на текущие и климатические данные. Позже он был частично распространен на мониторинг загрязнения природной среды. При проведении биологического, демографического и социально-экономического мониторинга вероятностные методы используются лишь в небольшой степени. Между тем единая интерпретация данных необходима не только для их оптимального усвоения и согласования. Ее следует использовать при разработке тематических карт, проектировании геоинформационных и эколого-информационных систем. Кроме того, она позволяет выработать принципиально новые подходы к оценке стоимости мониторинговых данных, организации доступа к ним, созданию качественно новых видов НТП.
Тема диссертации не требует привязки к определенному географическому району. Использованные в ней материалы и; предлагаемые решения относятся главным образом к баренцевоморскому сектору Арктики: В полярных районах проблема информационного обеспечения мониторинга окружающей* среды особенно актуальна. Здесь наиболее отчетливо выражена; зависимость условий жизни и хозяйственного освоения от природных факторов. Арктические экосистемы отличаются повышенной чувствительностью к загрязнению среды И! другим видам антропогенного воздействия. В то же время проведение наблюдений в* Арктике сопровождается повышенными: затратами, нередко связано с риском, многие наборы данных являются.
уникальными и невосполнимыми. Поэтому их интерпретация заслуживает особого внимания, а использование должно быть максимально грамотным и полным:
Цель и задачи работы. Основной целью исследования является разработка концепции информационного обеспечения комплексного мониторинга окружающей среды на основе вероятностной интерпретации данных. В ходе работы решались следующие задачи:
анализ современного состояния информационного обеспечения (полноты, совместимости, доступности данных) во всех тематических областях мониторинга окружающей среды, оценка существующих возможностей усвоения данных;
выработка единых требований к информации об окружающей среде;
разработка методики интерпретации и оценки данных мониторинга, основанной на вероятностных свойствах параметров природной среды и антропогенных воздействий;
использование методики вероятностной интерпретации для построения карт и анализа картированных данных;
построение баз данных на картографической основе, оценка возможностей их использования для картографических построений и картометрических расчетов
разработка научно-методических принципов организации региональных эколого-информационных систем;
совершенствование существующих и обоснование новых видов НТП; мониторинга, основанных на вероятностной интерпретации данных;
оценки стоимости мониторинговых данных и экономической эффективности НТП с учетом вероятностных свойств объектов мониторинга.
Теоретическая значимость. Введено представление об информационной системе мониторинга, позволяющее обосновать его тематическую, отраслевую и территориальную организацию. Сформулирован единый подход к данным мониторинга окружающей среды как реализациям периодически коррелированных случайных процессов, обладающих инерционностью. Предложена универсальная классификация*данных, позволяющая объективно оценивать их качество и формировать на этой основе эколого-информационные системы разных уровней: Разработаны требования к вероятностной интерпретации тематических карт. Показаны возможности' применения вероятностной интерпретации к оценкам стоимости информации об окружающей среде и экономической эффективности мониторинга.
Научная новизна: Концепция мониторинга окружающей среды как информационной системы, основанной! на единой вероятностной интерпретации данных, впервые распространена на все: тематические: области мониторинга, в том числе биологический; демографический, социально-экономический. Она позволяет пересмотреть традиционные подходы к формированию баз данных и эколого-информационных систем; разработке тематических карт, смысловой: и экономической оценке НТП мониторинга. Впервые, сформулированы единые: требования! к информационному обеспечению мониторинга. В диссертации предложены оригинальные:научно-технические решения по созданию баз данных на картографической основе, автоматизации картографических построений и картометрических расчетов в практике мониторинга, выработаны новые представления о разработке: и использовании НТП; обоснованы рекомендации по организации доступа к данным с учетом их вероятностной интерпретации:
Практическая значимость. Научно-методические разработки автора использованы при подготовке ряда научно-справочных изданий; атласов и региональных монографий по гидрометеорологическому режиму
и экологии Баренцева моря и его прибрежной зоны. Ряд положений работы включен в научно-технические программы ММБИ в составе ФЦП «Мировой океан», ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и; техники гражданского назначения», международного проекта BASIS (регион Баренцева моря в условиях глобальных изменений). Разработан и прочитан курс «Мониторинг окружающей среды» в Мурманском государственном педагогическом институте. Диссертация может быть непосредственно использована: в качестве научно-методического пособия специалистами, занятыми во всех тематических областях мониторинга.
Основные защищаемые положения:
мониторинг, в і отличие от научного' исследования; проводится с целью: снижения неопределенности наших знаний об уже изученных показателях состояния окружающей среды, поэтому его следует определять как информационную систему;
в силу пространственно-временной изменчивости всех параметров окружающей среды мониторинговым данным всегда присуща неопределенность, не позволяющая использовать результаты наблюдений без их вероятностной интерпретации;
' результаты мониторинга представляют собой временные ряды, в которых трендовые, циклические и случайные компоненты могут встретиться; в любых масштабах и соотношениях, при этом выделение или исключение каждой из, них определяется требованиями интерпретации данных;
мониторинговые данные подразделяются на инерционные, климатические, расчетные и экспертные оценки; выбор: между ними зависит от временного лага и точности расчетных методов;
тематические карты могут использоваться в практике мониторинга только при условии; что- потребителю хорошо известны
вероятностные: свойства картированных параметров или при наличии исчерпывающих ссылок на источники данных;
усвоение данных в региональных эколого-информационных системах должно проводиться лишь в той мере, в которой» это служит повышению точности текущих оценок состояния окружающей среды;
с точки зрения потребителя результаты мониторинга сводятся к сужению доверительного интервала статистической оценки параметра среды, что и должно быть положено в основу оценок стоимости информации, организации доступа к ней, анализа экономической эффективности мониторинга:
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на заседаниях Ученого совета^ ММБИ, международной конференции «Современное состояние- и перспективы исследований экосистем Баренцева, Карского морей и моря Лаптевых» (Мурманск, 1995), 13-й международной конференции; по портовым и морским технологиям в Арктике РОАС'13 (Мурманск, 1995), международной конференции «Экологический мониторинг морей Западной Арктики (от концепции к практике)» (Мурманск, 1997), Всероссийском совещании «Антропогенное воздействие на природу Севера и его экологические последствия» (Апатиты, 1998), международном симпозиуме CLIMPACT'2000 (Норвегия, Тромсё, 2000), международной~ конференции «Вековые изменения морских экосистем Арктики. Климат, морской перигляциал, биопродуктивность» (Мурманск, 2000), XI съезде Русского географического общества (Архангельск, 2000).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 работ.
Структура? и объем, работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, включающих 23 подраздела, заключения и списка литературы. Объем работы 346 страниц, включая 17 рисунков и 3 таблицы; Список литературы содержит 121 название.
Работа выполнена в Мурманском морском биологическом институте КНЦ РАН. Автор выражает признательность директору института академику РАН Г.Г. Матишову, д.г.н. В.В. Денисову, к.ф.-м.н. А.Н. Зуеву за поддержку и стимулирующие обсуждения (что не обязательно означает их согласие со всеми заявленными в диссертации позициями). Организационную и техническую помощь при оформлении диссертации и автореферата оказали к.г.н. Е.Э. Кириллова, А.В. Кузнецов, Л.С. Матюшева, Д.В. Моисеев и ряд других сотрудников ММБИ.
Организация мониторинга на основе комплексного усвоения данных
Под усвоением данных обычно понимают их извлечение из любых доступных источников для научного анализа или решения конкретной практической задачи, как правило, требующее дополнительной обработки или преобразования информации. Для держателей данных, оберегающих свою монополию, это звучит как «присвоение», что часто бывает недалеко от истины. Однако в информационном обществе первично всё же распространение информации, а все запреты и ограничения ненадежны и преходящи. По отношению к экологическим данным это особенно наглядно, так как многие из них одновременно представлены в закрытых и общедоступных источниках, а также поддаются расчету косвенными методами. Преимущество закрытых источников может заключаться только в. более высокой точности данных (продление рядов наблюдений и обновление статистических характеристик - тоже следует рассматривать как разновидности уточнения).
Проведение мониторинга на любом уровне предполагает, наряду с организацией наблюдений, существование центра сбора и обработки данных. Экологический мониторинг, как было показано выше, основан на использовании информации из самых разных предметных областей, причем значительная ее часть может содержаться во вторичных источниках - справочных изданиях, отчетах, тематических базах данных. Технические возможности усвоения данных в последние годы растут быстро, как никогда прежде. Источники данных более консервативны и не всегда отвечают меняющимся потребностям, поэтому здесь мы рассмотрим: современные возможности информационного обеспечения (пока только в качественной постановке).
Перечень объектов мониторинга, составленный вне зависимости от их принадлежности к тем или иным отраслевым подсистемам, вполне согласуется с традиционной последовательностью, принятой в географических описаниях: 1) рельеф и геологическое строение; 2) климат; 3) внутренние воды; 4) моря; 5) почвы; 6) флора и фауна; 7) население; 8) хозяйство. Здесь не названы в явном виде геохимические характеристики, так как геохимия ландшафтов распадается на описания химического состава вод суши, почв и живых организмов, (последнее бывает необходимо только при наличии ярко выраженных аномалий). Антропогенные воздействия тоже вписываются в соответствующие пункты этой последовательности: химическое и радиационное загрязнение (как показатели качества природных сред), изменения микроклимата, гидрологического режима и экосистем. Наиболее законченное проявление антропогенных воздействий - создание искусственных ландшафтов - тоже отчасти отражается в покомпонентной характеристике (изменения форм рельефа, альбедо, растительного покрова), но требует и самостоятельного учета. Здесь мы рассмотрим возможности информационного обеспечения с использованием существующих источников, пока не предлагая альтернативных решений. Многие традиционные формы представления и распространения данных в последние годы морально устарели или прекратили свое существование в ходе кризиса государственных служб мониторинга. Однако такие данные продолжают использоваться в практической деятельности, на них по-прежнему ориентируются действующие учреждения и специалисты. Не исключено и возобновление тех или иных разновидностей информационного обеспечения: 1.4.2. Картографическое обеспечение и литомониторинг 1 Организация мониторинга среды требует прежде всего полноценного картографического обеспечения. К нему мы относим топографические и навигационные карты во всех формах - бумажные, электронные, базы отметок высот и глубин в ГИС. Тематические карты сюда не входят, так как они представляют собой разновидность предметных баз данных.
Топографические карты сами по себе достаточны для описания рельефа, гидрографической сети и ландшафтов, а при грамотном использовании позволяют сделать предварительные выводы о климате, водных ресурсах и других экологических характеристиках. В последние годы намного повысилась доступность карт любых территорий России и стран СНГ по меньшей мере до масштаба 1:200 000 (карты дальнего зарубежья систематически публикуются уже давно, но не всегда достаточно подробные, поскольку выбор их масштаба в каждом случае определяется размерами страны). Значительно хуже обстоит дело с обновлением карт. Не говоря уже о сознательных искажениях (например, существовании засекреченных городов, сводные данные о которых впервые были опубликованы только в последние годы (Лаппо, Полян, Д996) а в картографических изданиях многие из них отсутствуют до настоящего времени), значительные изменения географических объектов, в частности, Аральского моря, при переиздании карт долгое время игнорировались. Нарушаются эти требования и при использовании ГИС, так как не все их владельцы имеют доступ к обновляемым базам данных (разработчики ГИС, в свою очередь, могут не владеть полной информацией об изменениях в облике земной поверхности и географической номенклатуре). Переиздание карт позволяет отслеживать естественные изменения рельефа и, гидрографии, возникновение новых антропогенных объектов и изменения существующих. Периодичность обновления карт должна зависеть от интенсивности антропогенных воздействий и динамики природных процессов. Разумной рекомендацией представляется обновление карт от ежегодного для самых динамичных территорий до одного раза в 10 лет для самых стабильных и слабо затронутых воздействиями.
Для мониторинга прибрежной зоны и открытого моря используются навигационные карты. Их подробность различается на один-два порядка в зависимости от требований к безопасности мореплавания. Крупномасштабными картами обеспечены только подходы к портам и прибрежные зоны со сложной морфометрией. Это не противоречит задачам мониторинга среды, так как детализированная информация необходима в первую очередь именно для таких районов. В практике судовождения, когда навигационные карты используются по прямому назначению, их корректура проводится в обязательном порядке по мере поступления новых данных, но в службах морских прогнозов и других учреждениях, связанных с морским мониторингом, этот порядок не всегда соблюдается. Регистрация плановых и высотных изменений рельефа является частью информационной системы литомониторинга. К числу нестационарных геологических и гидрогеологических явлений, подлежащих мониторингу, относятся сейсмические движения, карст, перемещение и загрязнение подземных вод, оползни и другие склоновые процессы. По источникам информации, методам наблюдений и;характеру использования данных с литомониторингом сходен мониторинг криосферы суши - поверхностных льдов и многолетней мерзлоты. Исключение составляет информация о снежном покрове, которая входит в состав стандартных метеорологических характеристик,, хотя, используется главным образом в гидрологических расчетах и прогнозах.
Самостоятельной информационной системой, требующей объединения геодезических, гидрографических и геологических данных, следует считать литомониторинг побережий. В этом случае требования к периодичности обновления карт могут различаться на много порядков. Морские берега, сложенные кристаллическими породами, остаются неизменными в течение нескольких тысячелетий, как, например, на севере Кольского полуострова (Берега, 1991), тогда как берега заполняющихся водохранилищ могут отступать на сотни метров в год. Высокой изменчивостью отличаются очертания и подводный рельеф береговой зоны приливных морей на участках с тонкозернистыми донными осадками (образование и разрушение осушек, баров, пересыпей, отчленение лагун). В целом доступные данные о рельефе и геологической среде обычно достаточны для описания природного фона, подготовки справок общего характера, учебных целей, но изучение антропогенных нарушений в литосфере требует применения высокоспециализированных и дорогостоящих методов.
Пространственно-временная изменчивость объектов мониторинга и задачи вероятностной интерпретации данных
Наиболее общим свойством всех природных и большинства социально-экономических объектов; является их изменчивость, что позволяет рассматривать каждую зафиксированную характеристику среды как случайную величину, а ее изменения во времени - как случайный процесс. Это соответствует представлению, сформулированному Бендатом и Пирсолом (1989): «С практической точки зрения решение о случайности или детерминированности конкретного физического процесса обычно основывается- на нашей, способности воспроизвести процесс в ходе контролируемого эксперимента». Параметры окружающей среды могут быть контролируемы в локальных масштабах, вплоть до известных экспериментов по созданию изолированных экосистем, но полем деятельности экологического мониторинга является неконтролируемая природная среда, требующая вероятностного описания.
Масштабы экологически значимой изменчивости геофизических и геохимических характеристик составляют от нескольких метров до тысяч, километров по горизонтальным пространственным координатам и от нескольких секунд- до десятков лет во времени. Изменчивость биологических объектов должна рассматриваться в более сложной системе координат, но ее пределы, во всяком случае, не уступают указанным выше. Антропогенные воздействия и социально-экономические явления всегда в определенной мере зависят от природной среды и тем самым подчиняются закономерностям ее изменчивости. Любая, даже самая совершенная система наблюдений за состоянием окружающей среды сама по себе может обеспечить лишь незначительную долю потенциально необходимой информации. При отсутствии предварительных сведений о вероятностных свойствах изучаемых объектов каждое наблюдение остается изолированным фактом и не может использоваться для каких-либо выводов о состоянии среды за пределами пространственной области и временного интервала наблюдений. Отсюда следует необходимость вероятностной интерпретации, данных во всех подсистемах мониторинга и на всех этапах его проведения.
Достоверные данные об изменчивости любого объекта, можно получить только по результатам уже проведенного мониторинга, но и его проведение невозможно без предварительно принятой рабочей гипотезы о пределах изменчивости или законе распределения количественной характеристики. Полезным вспомогательным средством для выработки такой гипотезы может быть уравнение, описывающее эволюцию показателя состояния среды А (температуры, концентрации примесей, плотности популяций планктона и др.): dA/dt = Vx дА/дк + Vy дАІду + Vz dAldz + Fs, (2.1) где Fs= dAJdi - функция источника, которая учитывает действие внешних сил и внутреннее состояние объекта (как, например, при радиоактивном распаде) и, в свою очередь, может зависеть от пространственно-временных координат и других аргументов;.Vx,Vy, Vz - скорости переносов в среде по соответствующим пространственным осям. Здесь имеется в виду не использование уравнения (2.1) для численного моделирования природных процессов (что в каждом отдельном; случае требует строгого задания функции источника и наличия информации, используемой в качестве начальных и граничных условий), а только возможность оценки изменчивости, выраженной частными производными величины А по времени и пространственным координатам, на основе имеющихся сведений о скорости переноса и интенсивности внешних воздействий. Так, прослеживая эволюцию внутримассового загрязнения в поверхностном слое моря от разового сброса, необходимо оценить пределы изменчивости горизонтальных составляющих скорости течения, масштабы вертикальных движений (во времени они изменяются от нескольких секунд для ветрового волнения до нескольких недель для конвективных переносов), интенсивность термической и: биологической деструкции загрязняющего вещества на возможных траекториях пятна. Точное решение (2.1) в этом случае может быть недостижимым из-за неполноты исходной информации и невозможности учета турбулентной диффузии, выраженной случайными пульсациями составляющих скорости Vx, Vy, Vz, но оценки по порядку величин могут оказаться достаточными для рациональной организации мониторинга последствий сброса, если это будет признано необходимым.
В задачах мониторинга наряду с изменчивостью подлежит анализу противоположная ей характеристика- инерционность. Здесь и дальше мы будем понимать ее расширенно, как сохранение: на; определенном интервале времени и (или) пространственных координат некоторой количественной характеристики, полученной в заданной области интегрирования и с заданной точностью. На практике это означает, что данные используются для описания условий среды на протяжении некоторого интервала, времени после срока наблюдений и (или) за пределами, пункта или. района наблюдений без какой-либо их корректировки. Инерционность, как и изменчивость, всегда относительна. Для стационарных объектов нет необходимости в проведении мониторинга, для хаотических оно становится невозможным. В практическом опыте можно выделить объекты обоих этих типов, не включенные в сферу мониторинга, но всегда только с определенной, степенью приближения.
Формирование базы данных на картографической основе
Описание данных в цифровой картографии может быть векторным или матричным (Халугин и др., 1992). В первом случае информация о каждом объекте сопровождается указанием его геодезических координат, во втором - формируется матрица значений картируемого параметра среды, строки и столбцы которой соответствуют заданным геодезическим координатам. Достоинства векторного описания очевидны - это способ гибкий, универсальный, наглядно иллюстрирующий переход от ручного к автоматизированному построению карты. Координаты точечного объекта могут быть заданы с любой степенью точности, разумно ограниченной только масштабом изображения. При построении поля изолиний каждая из них описывается отдельно и независимо от других. Линейные объекты задаются цепочками координат, разделяющими их на сколь угодно малые отрезки прямых, таким же образом строятся границы площадных объектов. Векторный способ позволяет легко организовать усвоение данных наблюдений, представленных в табличной форме, если одним из входов в таблицу являются геодезические координаты.
Матричное описание, в свою очередь, может быть цифровым или растровым, механически воспроизводящим двумерное поле черно-белой или цветной карты. Здесь речь будет идти только о цифровых матрицах, поскольку растровые используются главным образом для визуального представления уже готовых цифровых карт. Этот способ представления данных, в отличие от векторного, допускает описание картируемых характеристик только в виде полей, построенных на регулярной сетке. Линейные, площадные: и точечные объекты могут быть, выделены в тех случаях, когда они представляют собой соответственно изолинии, ограниченные ими контуры или локальные экстремумы рассматриваемой; характеристики. Положение таких объектов всегда; можно считать неявно заданным. Важнейшим частным случаем линейного объекта является береговая линия Мирового океана (которая к тому же подвержена значительно большей изменчивости во времени, чем все другие изолинии наземного и подводного рельефа, и поэтому векторное описание в крупном масштабе для нее не всегда оказывается эффективным).
Масштаб матричного описания изменяется в зависимости от широты, поскольку матрица с постоянным шагом соответствует равнопромежуточной по меридианам проекции. Матричный способ уступает векторному в гибкости, но позволяет организовать работу с большими массивами данных без индивидуальной координатной привязки каждого значения. Организация информационных массивов в базах и банках данных об окружающей среде, в том числе в Госфонде данных Росгидромета, соответствует их векторному описанию. Основу банка составляют первичные данные наблюдений, обязательными атрибутами которых являются время и координаты. Иногда на этой основе строятся картьг освещенности наблюдениями: территории или акватории, называемые: также картами изученности. По отношению к океанологическим данным это понятие сохраняется, до настоящего времени, что можно подтвердить следующей цитатой: «Представление на карте всех океанографических станций позволяет оценить изученность того или иного района Мирового океана» (Вязилов, 1999). В нашем понимании такие карты можно признать корректными только при условии, что они ограничены периодом инерционности текущих данных или отсутствия климатического тренда. . Наряду с этим в климатологии создаются; и используются базы и банки данных, организованные по матричному принципу - в виде наборов значений, интерполированных в узлы градусной сетки или осредненных в пределах ее трапеций. Такой подход наиболее эффективен при работе с «гладкими» полями атмосферного давления, барической топографии, температуры воздуха на высотах.
Первичные данные, как правило, считаются приоритетными по отношению к любым результатам интерполяции, осреднения и других косвенных методов расчета. По принятым в науке требованиям и сложившимся традициям каждый результат наблюдения (в; виде записи визуальных наблюдений или показаний приборов, кернов, гербарных экземпляров растений и др.) должен храниться бессрочно, поскольку его утрата невосполнима, тогда как любые разновидности описания, анализа, интерпретации представляют собой что-то вторичное и поддающееся восстановлению. Вместе с тем можно привести несколько доводов в пользу противоположной точки зрения: 1) никакие массивы исторических данных не могут обеспечить полную реконструкцию прошлых состояний природной среды, тогда как для частичной реконструкции обычно достаточно использовать результаты статистических обобщений, справочные и картографические издания; научные публикации; 2) все объекты и процессы в природной среде постоянно воспроизводятся и при необходимости могут быть охвачены системой сбора текущей информации (изучение уникальных объектов, в том числе исчезающих биологических видов, должно быть предметом самостоятельных научных программ); напротив, любой интеллектуальный вклад в описание и исследование природной среды в своем роде неповторим и заслуживает архивации; 3) наблюдения прошлых лет обесцениваются по мере изменения технической и методической базы; так как утрачивается их сопоставимость с текущими данными (это особенно наглядно сказывается на морских наблюдениях, где прошла уже не одна смена датчиков, наблюдательных платформ, схем океанографических съемок); 4) если считать современную деградацию гидрометеорологического и других видов мониторинга не временными трудностями, а долгосрочной тенденцией, то следует пересмотреть отношение ко всей связанной с этим деятельности, в том числе и к ведению банков данных, в свете более насущных государственных задач.
Максимально возможное сохранение количественного и качественного состава первичной информации можно признать необходимым в банках данных, предназначенных для научных исследований и климатологических расчетов. Однако в; системах мониторинга приоритетным должно быть наиболее быстрое и полное усвоение новой информации; тогда как обновление климатических оценок и реконструкция прошлых состояний среды необходимы не так часто. Кроме того, как уже отмечалось в гл.2, данные в системе мониторинга различаются не качественно, а только; количественно, по величине доверительного интервала с фиксированной доверительной вероятностью. При использовании результата наблюдений в качестве инерционной оценки его преимущество перед оценками других видов быстро утрачивается.
Региональный экологический мониторинг Европейского Севера России (акватории и водосборных бассейнов Баренцева и Белого морей)
Необходимость организации бассейнового мониторинга не вызывает сомнения по отношению к речным системам, включая морские устья рек, а также к замкнутым морям. Для Баренцева и Белого морей, где речной сток является локально действующим и не ведущим экологическим фактором, это не так очевидно. Единство Европейского Севера России определяется скорее совокупностью природных, историко-культурных, экономических и геополитических предпосылок, поэтому задачи мониторинга окружающей среды здесь многоплановы и не всегда допускают однозначную территориальную привязку. Вместе с тем применение бассейнового принципа здесь тоже уместно. Водосборный бассейн Баренцева и Белого морей образует единый физико-географический район, хорошо согласующийся с существующим административно-территориальным делением и экономико-географическим районированием (рис. 16). С точки зрения организации мониторинга Европейский Север выгодно отличается от других регионов, где бассейны рек и внутренние моря разделены природными и государственными границами, территории резко различаются по природным условиям и экономическому развитию, решение экологических проблем осложняется политической ситуацией. Наглядным примером такого положения дел может служить регион Каспийского моря.
Организация бассейновой ЭИС должна проводиться с учетом того, что европейский Север является зоной соприкосновения национальных и международных интересов. Здесь проводится контроль трансграничных переносов загрязнений в воздушной и морской среде, который может быть эффективно дополнен бассейновым мониторингом, позволяющим отслеживать загрязнения от местных источников и оценивать их общий баланс. Несмотря на значительную деградацию природной среды в районах промышленного освоения и размещения военных объектов, Европейский Север в целом остается экологически благополучной территорией с низкой плотностью населения, обильными водными ресурсами, разнообразием ландшафтов, растительного и животного мира. Это создает хорошие перспективы для организации рационального природопользования, учитывающего положительный и отрицательный опыт зарубежных стран. Своеобразие исторического развития и ценность историко-культурного наследия позволяют, считать Европейский Север единым памятником отечественной и мировой культуры. Этот подход был обоснован Д.С. Лихачевым и; В.Л. Яниным (1987). В результате взаимодействия этносов и культур здесь сформировался особый тип населения (поморы, землепроходцы), и сложилось устойчивое природопользование, сочетающее морские и наземные промыслы. Европейский Север сохранил разнообразные формы материального и духовного культурного наследия: памятники зодчества, рукописные книги, фольклор, народные ремесла. В обозримом прошлом этот регион почти не был затронут войнами, национальными. и; религиозными конфликтами, до начала XX в. здесь сохранялись традиционные хозяйственно-культурные типы. На протяжении XX в. Европейский Север развивался по тому же сценарию, что и. другие окраинные районы страны: ускоренное промышленное освоение на основе освоения минеральных и биологических ресурсов; массовые добровольные и вынужденные миграции, в результате которых резко сократились доля коренного населения и удельный вес традиционных хозяйственных типов; истощение ресурсов и деградация среды в очагах освоения. Это привело к гибели или утрате культурной функции многих памятников истории и культуры.
Приведем некоторые географические и статистические данные, характеризующие регион мониторинга; Суммарная площадь Баренцева и Белого морей составляет около 1,5 млн. км , их водосборных бассейнов -около 1,4 млн. км2. Границы Баренцева моря на большом протяжении проходят по условным линиям, но в целом они близки- к внешним границам шельфа Западной Арктики, поэтому Баренцево море может рассматриваться как единый географический объект, хотя и обладающий , значительными внутренними различиями. На долю Белого моря приходится около 6 % площади акватории и 2 % суммарного объема обоих морей, но более половины общей; площади водосборного бассейна, что обусловливает ряд отличий его гидрологического и гидрохимического режима. Бассейн Баренцева и Белого морей охватывает территорию Мурманской, Архангельской (с Ненецким автономным округом) и Вологодской областей (кроме: западной- части последней), Республики Коми, Республики Карелии (к северу от 63 с. ш.), а также небольшие и малонаселенные участки территории Норвегии, Финляндии и Кировской области России, не оказывающие заметного влияния на экологическую обстановку в;масштабах региона. В отношении арктических архипелагов Шпицберген и Земля Франца-Иосифа применение бассейнового принципа едва ли оправдано, поскольку их окружают единые прибрежные водные массы. К тому же они почти не связаны с региональной эколого-экономической системой, а в качестве источника данных для усвоения в: ЭИС (мониторинг климата, озонового слоя, трансграничных переносов загрязнений) равноценны другим территориям Арктики, не принадлежащим к данному бассейну. С другой стороны, Новая Земля и острова юго-востока Баренцева моря (Вайгач, Колгуев и др.) по своим природным условиям, истории расселения и хозяйственного освоения тесно связаны с материком, поэтому их следует включить в ЭИС по всем объектам мониторинга и без разделения территорий островов на баренцевоморский и карский склоны:
Население Северного экономического района, включающего перечисленные выше субъекты Федерации, по последним опубликованным данным (Население ... , 2000) составило 5,72 млн. чел. За вычетом территорий, относящихся к бассейну Балтийского моря (южная Карелия с Петрозаводском и Череповец с прилегающими районами), его можно оценить в 4,8 - 5,0 млн. чел. Таким образом, основные статистические показатели Европейского Севера очень наглядны: здесь проживает несколько менее 0,1 % населения Земли (и эта доля с каждым годом уменьшается) на территории, занимающей около 1 % обитаемой суши. На городское население приходится 76 % общей численности, что несколько превышает средний показатель по России (73 %). В экономике региона отчетливо выделяется промышленная специализация. На долю составляющих его областей и республик приходится 5,2 % промышленного производства и менее 1 % сбора основных сельскохозяйственных: культур в России (Государственный доклад ... , 1996). По обоим показателям первенство принадлежит Вологодской области (соответственно 1,67 и 0,7 %), причем по сельскому хозяйству она превосходит остальные территории, вместе взятые, примерно в шесть раз. Однако с учетом того, что крупнейший промышленный узел в этой области, Череповецкий, не принадлежит к рассматриваемому нами региону, отчетливо выраженного промышленного лидерства здесь нет: на Мурманскую, Архангельскую области и Республику Коми приходится примерно по 1 % общероссийского производства.
