Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Исследование и картографирование экологических функций ландшафтов
1.1 Исторические аспекты экологизации географии 9
1.2 Экологические функции природных компонентов 17
1.2.1 Экологические функции литосферы 18
1.2.2 Экологические функции почв 20
1.2.3 Экологические функции атмосферы и гидросферы 23
1.2.4 Экологические функции растительности 25
1.2.5 Экологические функции рельефа 27
1.2.6 Экологические функции ландшафтов 28
1.3 Отражение экологических функций ландшафтов в тематическом картографировании 33
ГЛАВА 2. Разработка структуры и содержания ГИС
2.1 Географические особенности бореальной зоны ЕТР 41
2.2 Обоснование набора характеристик экологических функций и единиц
картографирования 54
2.3 Источники информации 57
2.3.1 Ландшафтная карта 58
2.3.2 Карты лесов 60
2.3.3 Серия карт биологической продуктивности 61
2.3.4 Карта Заповедники, национальные парки и заказники федерального значения
России 63
2.3.5 Климатические справочники 63
2.3.6 Карта Малонарушенных лесов России 64
2.3.7 Географическая основа 66
2.3.8 Цифровая модель рельефа 67
2.3.9 Данные полевых исследований 70
2.3.10 Литературные источники 72
2.3.11 Данные дистанционного зондирования 73
2.4 Картографирование на ландшафтной основе 77
2.5 Разработка структуры и содержания географической информационной системы 79
ГЛАВА 3. Геоинформационное картографирование факторов определяющих экологические функции ландшафтов .
3.1 Методы геоинформационного картографирования 88
3.2 Создание серии карт климатических факторов. Анализ климатических показателей таежной зоны 90
3.3 Создание серии карт эдафических факторов. Таежные ландшафты и их экологические
функции 100
3.4. Создание серии карт биологической продуктивности. Анализ биологической
продуктивность таежных ландшафтов 112
3.5 Создание серии карт индикационных видов растительности. География индикационных
видов растительности 120
ГЛАВА 4. Геоинформационное картографирование экологических функции ландшафтов
4.1 Методика составления карты 131
4.2 Особенности содержания карты 140
4.3 Анализ географических закономерностей 141
Заключение 148
Список литературы
- Экологические функции природных компонентов
- Экологические функции атмосферы и гидросферы
- Источники информации
- Создание серии карт климатических факторов. Анализ климатических показателей таежной зоны
Введение к работе
На конференции ООН, проходившей в июне 1992 г. в Рио-де-Жанейро, была намечена программа по окружающей среде «Повестка дня на XXI век». В документах конференции основное внимание уделено необходимости перехода на путь устойчивого развития, предполагающего оптимальный баланс между решением социально-экономических проблем и сохранением окружающей природной среды с учетом интересов нынешнего и будущего поколений. «Повестка дня» отражает глобальный консенсус в принятии на самом высоком уровне политических обязательств в отношении сотрудничества по вопросам развития окружающей среды. Решающее значение для достижения данной цели имеют национальные стратегии, планы, политика и процессы в сочетании с международным сотрудничеством, дополняющем национальные усилия.
Одним из шагов к реализации «Повестки дня» выступает «Киотское соглашение», в рамках которого на территориях стран, ратифицировавших его, намечено осуществлять постоянный мониторинг выбросов парниковых газов. Параллельно этому необходимо проводить всестороннюю оценку депонирования углерода. Актуальность для РФ этих направлений исследований обеспечена прежде всего проблемой погашения собственных выбросов СОг и возможным процессом торговли квотами депонирования СО2.
Неоднозначность в вопросе отнесения большей части лесных территорий России к категории управляемых лесов, в соответствии с определениями Киотского протокола, подталкивает Россию на переход к новому этапу управления лесными ресурсами. В связи с этим встают задачи оценки экологических функций природных комплексов, которые, прежде всего, связаны с депонированием углерода и продуцированием кислорода. Для России особая роль в этом процессе принадлежит бореальным лесам, играющим важное экологическое значение в качестве источника биоразнообразия и хранилища значительной части мирового запаса углерода.
В настоящее время стало очевидно, что всесторонняя, объективная оценка состояния лесов России и управление ими должны осуществляться на основе современных методов с использованием средств дистанционного зондирования и геоинформационных технологий.
Цель и задачи исследования заключается в разработке методики (синтетического) картографирования экологических функций лесных ландшафтов европейской территории России.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Анализ и оценка состояния вопросов, связанных с экологическими функциями природных компонентов и опытом их картографирования.
Обоснование набора характеристик, определяющих экологические функции.
Разработка структуры географической информационной системы (ГИС) и подготовка цифровых картографических основ и баз данных.
Проведение экспериментов в среде ГИС с целью классификации ландшафтов по их экологическим функциям
Разработка методики и создание карты оценки средообразующих функций ландшафтов.
Исходные данные. Работа проводилась на кафедре картографии и геоинформатики в рамках госбюджетной темы «Картографирование с использованием геоинформационных, аэрокосмических методов и телекоммуникации для эколого-географических исследований и образования». В работе использованы опубликованные карты и атласы, в том числе цифровые: «Ландшафтная карта СССР» (1988); «Леса СССР» (1990); «Карта лесов Российской Федерации» (Барталев, Ершов и др.,2004); «Заповедники, национальные парки и заказники федерального значения России» (2005); «Атлас малонарушенных лесных территорий России» (Аксенов и др., 2002); Цифровая общегеографическая карта VMapO (2000) и др.
Использованы базы данных по индикационным видам растительности, структурированные и обобщенные автором в рамках сотрудничества с ЦЭПЛ РАН в 1998-2001 гг. Для создания базы данных климатических факторов были использованы климатические справочники СССР. В работе использованы материалы полевых и стационарных исследований, проводившихся в пределах изучаемой территории, в которых автор участвовал в период 1997- 2008 годов. Основные направления исследований - это комплексная оценка территорий, индикационное картографирование и картографирование биологического разнообразия.
Методика исследования. Методы визуального и автоматизированного дешифрирования космических снимков использованы (на эталонных участках в Смоленской, Тверской и Калужской областях, а также в республике Башкортостан) для уточнения материалов лесной таксации и создания карт биологического разнообразия и продуктивности лесов. Методы корреляционного и регрессионного анализа применялись для обработки статистической информации, создания баз геоданных и определения зависимостей между факторами. Основой исследовательской части диссертации является ГИС, которая подразумевает использование методов геоинформационного картографирования и математико-картографического моделирования. Для создания итоговых карт использованы методы классификации.
Научная новизна работы. В работе проанализированы и обобщены данные об экологических функциях компонентов природной среды, определен набор факторов определяющих разнообразие экологических функций. Обоснован набор характеристик, определяющих экологические функции таежных ландшафтов в пределах ЕТР. Разработана ГИС, в содержание которой включены особенности факторов, определяющих экологические функции ландшафтов. Создана база данных, включающая характеристики почво-грунтовых условий и рельефа поверхности, особенностей растительного покрова, а также -климатических условий. Впервые получена закономерность сочетаний параметров продуктивности и депонировании углерода в границах рассматриваемых ландшафтов. Это позволило реализовать математико-картографическое моделирование, результатом которого стала модель зависимости потенциальной продуктивности лесов ЕТР от системы факторов. Разработана методика мелкомасштабного картографирования экологических функций ландшафтов. Методика апробирована применительно к средообразующим функциям бореальных ландшафтов в границах ЕТР. Впервые составлена мелкомасштабная карта (масштаб 1:4 000 000) оценки средообразующих функций.
Практическая значимость исследования связана с возможностью использования его результатов для обоснования сети особо охраняемых природных территорий с учетом видового разнообразия, специфики биотопов, особенностей депонирования углерода в компонентах ландшафтов. Картографические результаты работы представляют инструмент для принятий решений при разработке проектов обоснований инвестиций в строительство объектов хозяйственной и иной деятельности. Инструментом для принятия такого решения является комплексная оценка сочетаний экологических функции, присущих различным ландшафтам. Разработанная методика геоинформационного картографирования может быть использована для решения задач рационального природопользования и управления территориями. Определение и картографирование экологических функций бореальных ландшафтов позволит отнести леса России к категории управляемых, что в рамках Киотского протокола позволит участвовать в торговле квот депонирования углерода.
Апробация работы Работа выполнена на основе личных исследований автора с 1999 по 2008 гг. в том числе - полевых, и материалов собранных в результате научного сотрудничества с ЦЭПЛ РАН. Основные положения и результаты диссертации докладывались на: Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-99» (Москва, 1999), Международной конференции «Продуктивность и динамика экосистем северной Евразии» (Новосибирск, 2000), Международной конференции, ВНИИ океанологии, (Санкт Петербург, 2003),
Международных конференциях «Земля из космоса - наиболее эффективные решения» (Москва, 2003; Москва, 2005; Москва, 2007), Международной конференции «Аэрокосмические методы и геоинформационные технологии в лесоведении и лесном хозяйстве» (Москва, 2007), Межрегиональная научно-практическая конференция «Роль ООПТ в решении экологических проблем» (Йошкар-Ола, 2008), Международная научная конференция «Мониторинг и оценка состояния растительного мира» (Минск, Беларусь, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ общим объемом 2.3 печатных листа, из них - 3 в изданиях, рекомендованных ВАК
Структура работы Диссертация состоит из введения, 4-ех глав и заключения, содержит 149 страниц, 6 таблиц, 22 рисунка в виде схем и карт, а также 15 приложений к диссертации.
Автор выражает благодарность научному руководителю к.г.н СВ. Чистову за руководство и консультации на всех этапах работы над диссертацией, сотрудникам кафедры картографии и геоинформатики: к.г.н. Н.А.. Алексеенко, к.г.н. Божилиной и к.г.н. Т.Г. Сватковой за критическое рассмотрение данной работы.
Экологические функции природных компонентов
Бореальные леса России играют важное экологическое значение в качестве источника биоразнообразия и хранилища значительной части мирового запаса углерода. В рамках Киотского протокола, на территориях стран, подписавших его, должен осуществляться постоянный мониторинг выбросов парниковых газов промышленно-энергетического комплекса и транспорта. Также необходимо проводить всестороннюю оценку депонирования углерода, актуальность этого направления исследований обеспечена прежде всего проблемой погашения собственных, российских, выбросов СОг и возможным процессом торговли квотами депонирования 0(.
Неоднозначность в вопросе отнесения большей части лесных территорий России к категории управляемых лесов, в соответствии с определениями Киотского протокола, подталкивает Россию на переход к новому этапу управления лесными ресурсами. В связи с этим необходимо оценивать именно экологические функции природных комплексов, причем их оценка должна отражать не только функции растительного покрова как такового, но и функций других природных компонентов. Общая оценка экологических функции позволит судить о ценности тех или иных природных единиц, что позволит наиболее продуктивно использовать и сохранять окружающие нас ресурсы.
Основные трудности здесь относятся всецело к признанию необходимости учета всего многообразия ресурсов и функций лесного покрова, его вклада в экономику страны и обеспечения экологической безопасности, а не только лесосырьевого значения лесных экосистем как традиционного и самого, пожалуй, простого вида лесопользования (Углерод в лесном..., 2005) .
Живые организмы вообще и человек в частности могут нормально развиваться в условиях благоприятной природной среды. В этой связи следует говорить об экологических функциях ландшафтов. Под экологическими функциями ландшафта понимается (от лат. function -исполнение, совершение) удовлетворение ландшафтом некоторых социально экономических потребностей общества (части общества, человека) в процессе взаимодействия общества и природы (Охрана ландшафтов, 1982). Социально-экономические функции ландшафта определяются общественными целями, вьшолпение которых возлагается на ландшафт или в выполнение которых включается ландшафт. Различают функции современные и потенциальные (возможности удовлетворения потребностей). Рассмотрим последовательно основные представления об экологических функциях отдельных компонентов природной среды, а затем ландшафтов в целом. Современные представления об экологических функциях чаще всего развиваются в пределах отдельных направлений наук о Земле. На сегодняшний день в той или иной степени выделяются исследования экологических функций литосферы, рельефа, почв, климата (атмосферы), растительного покрова и ландшафтов. Рассмотрим последовательно основные представления об экологических функциях отдельных компонентов географической среды, а затем ландшафтов в целом, и попытаемся оценить уровень развития картографирования экологических функций, как показатель, отражающий развитость практических представлений об изучаемом явлении.
Геология, как и многие другие науки, не избежала процесса экологизации, повлекшего за собой дезинтеграцию эколого-геологических исследований, в которой каждая геологическая наука ищет свою экологическую нишу либо на уровне решения частных задач, либо путем выделения своего научного направления (экологической минералогии, гидрогеологии, геохимии, экологической и др.).
Геологами подчеркивается, что термин "экологическая геология" нельзя отождествлять с термином "геоэкология" и что, наряду с "экологической географией" и "экологическим почвоведением", "экологическая геология", связанная только с литосферой, входит в состав «геоэкологии». Экологическая геология рассматривается как новое направление геологических наук, изучающее экологические функции литосферы, закономерности их формирования и пространственно-временного изменения под влиянием природных и техногенных причин в связи с жизнью и деятельностью биоты и прежде всего человека.
Объектом экологической геологии выступает литосфера, она исследуется как многокомпонентная динамическая система, включающая породы, подземные воды, нефть и газы, и влияющая на существование и развитие биоты, а также и человеческого сообщества. Предметом исследования экологической геологии являются знания об экологических функциях литосферы. При этом рассматриваются функциональные связи в системах: "литосфера — биота (включая человека)" или "литотехническая система — биота (включая человека)". Литосфера в свете экологической геологии выступает как среда сосредоточения природных минеральных ресурсов, необходимых для функционирования и развития человечества как общественной социальной структуры. Под экологическими функциями литосферы понимается все многообразие функций, определяющих и отражающих роль и значение литосферы, включая подземные воды, нефть, газы, геофизические поля и протекающие в ней геологические процессы, в жизнеобеспечении биоты, и главным образом человеческого сообщества, способного воздействовать на среду обитания, причем на глубины, значительно превышающие влияние остальной биоты.
Экологические функции атмосферы и гидросферы
В экологической системе, охватывающей все многообразие взаимоотношений объектов природы и общества, рельеф обеспечивает определенный тип функционирования и состояния экосистем за счет перемещения вещества и энергии внутри экосистем, что ставит его на ведущее место среди всех экологических факторов (Макаров и др, 2002). Рельефу присущи многообразные прямые и косвенные экологические функции. Впрочем, нередко в данном случае разграничить понятия «прямые» и «косвенные» можно лишь условно, также как «позитивные» и «негативные». Увеличение высоты над уровнем моря сказывается на здоровье человека, главным образом, опосредованно через климат, вследствие понижения атмосферного давления, недостатка кислорода, низкой температуры воздуха, избыточной инсоляции, сильного ветра (Исаченко, 2003).
Рельеф любой местности, являясь естественным базисом ландшафта, выполняет ряд функций, нарушение которых неизбежно вызывает цепочку изменений в природной среде. Рельеф активно используется человеком в различных целях. Как часть природного ландшафта, он обладает и эстетической ценностью, измерить которую далеко не просто. Эти качества рельефа можно также отнести к разряду социальных и хозяйственных функций.
Кроме этих функций, авторами выделяются четыре типа функций: морфо-климатические, морфо-гидрологические, морфо-педологические и морфо-биологические функций (Симонов Ю.Г., Кружалин В.И., 1989).
С рельефом, точнее с рельефообразующими процессами, связана большая группа опасных природных процессов и явлений. Особенность этих процессов состоит в том, что они вызывают необратимые изменения в ландшафте из-за безвозвратной потери твердого материала или его аккумуляции, сопровождающихся появлением новых форм рельефа, а нередко — также разрушениями и человеческими жертвами (Исаченко, 2003).
В настоящее время особое внимание уделяется оценке и картографированию опасных явлений. Среди экзогенных денудационных процессов наибольшим распространением на рассматриваемой территории выделяется эрозия, дефляция, плоскостной смыв, оползневые процессы; в области развития многолетнемерзлых пород отмечаются термокарст, термоэрозия, солифлюкция и другие процессы и явления. Все эти опасные, неблагоприятные процессы и явления приводят, по мнению автора, к утрате множества экологических функций, свойственных ландшафтам.
Методические рекомендации по изучению экологических функций рельефа полагаются на бассейновый метод исследования и отталкиваются при изучении местности на разных масштабных уровнях от трех основных элементов рельефа: пологих водораздельных поверхностей (плакоров), склонов и днищ (речных долин, озерных котловин и др.). Картографическая информация по экологическим функциям рельефа не найдена.
По мнению Я. Демека (1977) на большей части суши ландшафт выполняет две основные функции: жизненную — как среда для жизни человека и хозяйственную — как основа для хозяйственной деятельности общества. Ландшафт обеспечивает пространственную основу для экономической активности человека, является источником природных ресурсов, причем не только ископаемых, но и тех, которые прежде вообще не рассматривались как ресурсы, например, воздух.
Ландшафт может выполнять несколько функций одновременно или в некоторой последовательности. Вместе с тем существуют и взаимоисключающие потребности, приводящие к ограничению числа выполняемых функций (застройка территории, например, исключает возможность земледелия).
В ряде случаев возможность выполнения функций данным ландшафтом зависит от характера функций, вьшолняемых смежными, а иногда и довольно удаленными ландшафтами.
Основные функции, возлагаемые на ландшафт,- ресурсовоспроизводящие, средовоспроизводящие и природоохранные.
Ресурсовоспроизводящие функции связаны главным образом с производственной деятельностью (добывающей промышленностью, энергетикой, сельским, лесным, водным хозяйством и др.).
Средовоспроизводящие функции связаны с участием ландшафта в воспроизводстве основных физиологических и социально-психологических факторов жизни людей (состава атмосферного воздуха, качества вод, эстетического разнообразия), а также в воспроизводстве условий некоторых видов и форм производственной и непроизводственной деятельности (рекреационной, спортивной и др.).
Природоохранные функции связаны с регулирующей ролью тех или иных ландшафтов и их компонентов в выполнении этим или другим ландшафтом названных выше функций. Таковы водоохранная роль ландшафтов в бассейнах рек выше водохранилищ гидроэлектростанций, роль убежищ биоты - центров расселения и кормовых угодий для орнитофауны, роль хранилищ эталонов неизмененной и малоизмененной природы, редких животных и растений и т. д.
Возможность выполнения разнообразных функций ландшафтом зависит от его структуры, устойчивости, режима природных процессов, особенностей функционирования и динамики, продуктивности.
Поскольку потребности общества и средства их удовлетворения изменяются, наблюдается смена функций ландшафта. В процессе управления ландшафтами необходимо проводить согласование требований разных видов деятельности с возможностями ландшафтов и в зависимости от этого изменять соотношение функций ландшафта. Такие действия возможны путем приведения в соответствие многообразных и изменяющихся потребностей общества с различными свойствами каждого из множества используемых ландшафтов.
Рациональное использование природных ресурсов и охрана окружающей среды возможны лишь на базе функционального анализа всех ландшафтов рассматриваемой территории, а не единичного ландшафта. Представление о социально-экономических функциях ландшафта является ключевым при проектировании и осуществлении функционального зонирования территории - о дной из важнейших операций территориального планирования, обеспечивающей наиболее оптимальное использование и охрану природы множества ландшафтов (Охрана ландшафтов, 1982).
Источники информации
Исследование экологических функций ландшафтов, как было сказано ранее, предполагает использование огромного количества разнородной информации. Основные сложности при сборе информации заключались в разрозненности представлений об экологических функциях и отсутствии их сводной классификации, а как следствие - полном отсутствии информации по методам составления карт экологических функций. Разработка структуры будущей информационной системы и поиск источников информации для ее наполнения осуществлялись на основе изучения литературных источников. Это определялось тем, что в работах некоторых авторов встречаются упоминания о тех или иных экологических функциях и их характеристиках, указывающих на возможность их изучения. После этапа изучения современного состояния вопроса по исследованию и картографированию экологических функций вся имеющаяся информация была систематизирована в виде блоков, каждый из которых отвечает за экологические функции одного из природных компонентов (см. Глава 1).
В данных исследованиях все источники информации представлены тремя группами: карты и схемы; литературные источники; материалы полевых и стационарных исследований.
Картографические источники информации представлены следующими картами и схемами: Ландшафтная карта СССР под общей редакцией А.Г. Исаченко, масштаба 1:4000000 (1988); Леса СССР, масштаб 1:2.500.000 (1990); Карта наземных экосистем Северной Евразии; масштаб 1:8000000,(2000); Карта лесов Российской Федерации масштаб 1:800000 (Барталев, Ершов и др.,2004); Заповедники, национальные парки и заказники федерального значения России, масштаб 1:700000(2005); Атлас малонарушенных лесных территорий России (Аксенов и др., 2002) Серия карт биологической продуктивности СССР: запасы фитомассы, запасы мортмассы, годичная продукция, масштаб 1:8000000 (Базилевич, 1993); Цифровая общегеографическая карта VMapO, масштаб 1:1000000 (2000). Литературные источники информации представлены несколькими группами по основным направлениям исследования: Экологические функции природных компонентов и их картографирование; Биологическая продуктивность бореальных ландшафтов; Индикационные виды растительного покрова.
В данных исследованиях автором использованы материалы собственных полевых и стационарных исследований, проводившихся в пределах изучаемой территории (Носова и др. 1998; Носова и др. 2003). Основные направления исследований — это комплексная оценка территорий, индикационное картографирование и картографирование биологического разнообразия.
Для проведения ряда исследований автором на основе литературных источников и материалов полевых исследований были созданы базы данных. В целях исследования и картографирования метеорологических факторов экологических функций автором была создана цифровая база данных климатических показателей, основанная на данных из климатических справочников СССР. В целях картографирования индикационных видов растительного покрова автором разработана и создана база данных геоботанических описаний и находок индикационных видов растительного покрова России.
Предварительное изучение имеющихся источников информации показало, что содержательно большинство источников информации укладывается в масштабный ряд от масштаба 1:4000000 до масштаба 1:15000000. В связи с этим было необходимо найти ландшафтную карту, близкую к этому масштабному ряду. Анализ картографической информации с целью поиска ландшафтной карты, пригодной для использования в настоящих исследованиях, выявил наличие двух ландшафтных карт на изучаемую территорию. Ландшафтная карта СССР под общей редакцией И.С. Гудилина, масштаб 1:2500000 с прилагаемыми к ней объяснительной запиской и шестью книгами легенды (Ландшафтная карта..., 1980; Легенда к Ландшафтной..., 1987). Карта составлена по данным многолетних ландшафтно-индикационных исследований, выполненных с применением аэрокосмических методов для целей инженерно-геологического картографирования. На ней выделено 3400 видов природных ландшафтов, составлена легенда на 1200 страницах. В легенде по единому систематическому принципу дается детальная характеристика климата, литологии, почвенного покрова, растительности и ландшафтов.
Карта ландшафты СССР под общей редакцией А.Г. Исаченко, масштаб 1:4000000 (Ландшафты СССР, 1988) с пояснительными характеристиками, изложенными в монографии (Исаченко, 1985; Исаченко, Шляпников, 1989). Карта Ландшафты СССР входит в собрание стенных карт для высших учебных заведений, создаваемых по программе картографического обеспечения вузов с 1974 г.
Наиболее подходящей, по мнению автора, является карта под общей редакцией А.Г. Исаченко. Прежде всего, этот выбор определен единицей картографирования, использованной на этой карте. Дробность элементарных выделов данной карты не столь мелкая как на ландшафтной карте под общей редакцией И.С. Гудилина, что определяет довольно хорошую визуальную корреляцию с другими источниками информации. Принадлежность данной карты к серии карт для высших учебных заведений дает возможность использовать другие карты этой серии для более детальных экологических исследований.
Карта издана для стенного использования в виде единого блока листов, наклеенных на пленку. Общий формат карты 220x150 см. В качестве классификационного объединения самого высокого ранга рассматриваются зональные группы (или серии), соответствующие более или менее общепринятым зональным подразделениям суши, имеющим глобальное значение.
Для глобальной схемы использована климатологическая номенклатура: ландшафты арктические, субарктические, бореальные, суббореальные, гумидные и т. д. Для макроуровня использованы зональные группы с помощью традиционных ландшафтно-геоботанических терминов (тундровые, таежные и т. п.).
На следующей ступени вводятся признаки, определяемые секторностыо, применена двоякая номенклатура: общая климатологическая (ландшафты умеренно континентальные, резко континентальные, приокеанические муссонные и т. п.) и региональная (восточноевропейские, восточносибирские, дальневосточные и др.).
Сочетание зональных и секторных критериев позволяет вьщелить типы ландшафтов. Классификационным критерием последующей ступени служит гипсометрический фактор: в каждом типе и подтипе выделяются классы ландшафтов, соответствующие двум главным высотным ландшафтным уровням - равнинному и горному. Классы, в свою очередь, подразделяются на подклассы, в которых отражена ярусность ландшафтов и постепенная трансформация их типичных зонально-секторных черт с ростом высоты над уровнем океана. На равнинах различаются подклассы низменных и возвышенных ландшафтов (с особыми предгорными или барьерными вариантами), в горах - подклассы низко-, средне- и высокогорных ландшафтов. Таким образом, каждому типу и подтипу ландшафтов присуща своя ярусная «надстройка».
Создание серии карт климатических факторов. Анализ климатических показателей таежной зоны
Основой для создания серии карт климатических факторов послужили материалы климатических справочников СССР. Для целей формирования базы данных климатических факторов были использованы данные различных выпусков климатических справочников СССР, что обусловлено значительными размерам изучаемой территории. Для построения и работы с серией карт климатических факторов в структуре ГИС сформирован отдельный исследовательский блок.
Раздел ввода данных предназначен для работы с фактографической информацией и позволяет вносить информацию в базу данных, редактировать ее и проверять на наличие ошибок ввода. Созданная база данных географически привязана к сети метеорологических станций и содержит следующие характеристики: название станции, год начала работы станции, высоту над уровнем моря и значения климатических параметров, рассмотренных выше. Особое внимание в данных исследованиях уделялось параметрам тепло- и влагообеспеченности. В этой связи содержание базы данных ориентировано именно на средние месячные и годовые значения температуры воздуха, средние месячные и годовые суммы осадков, значения облачности и составляющих радиационного баланса.
Была проведена обработка данных климатических параметров и проведены некоторые расчеты, которые позволили расширить фактографическую базу данных. С использованием настоящего раздела базы данных в нее были включены расчетные климатические характеристики периода активной вегетации: сумма активных температур - средних суточных температур выше +10, суммы осадков за этот период, продолжительность данного периода, значения гидротермического коэффициента Селяникова. Кроме того, для каждой станции, на которой отсутствует наблюдение по составляющим радиационного баланса, был проведен расчет этих характеристик и индекса сухости М.И. Будыко.
Следующий раздел системы включает в себя картографическую базу данных и позволяет просматривать исходные и создавать новые компьютерные карты, используя фактографическую базу данных. Карты в системе хранятся в растровом и векторном виде, что упрощает их использования как при процессах моделирования, так и при визуализации данных. В данном разделе реализуется связь между климатическими данными, хранящимися в БД, и картами. С помощью математического аппарата ГИС также возможно построение карт по значениям вышеперечисленных климатических параметров, как за отдельные периоды, представленные среднемесячными климатическими параметрами, так и за сезоны; в целом за год или за некоторые фиксированные периоды времени. Например, за период активных температур со среднесуточной температурой воздуха выше + 5 С.
Под компьютерными картами в системе подразумевается совокупность нескольких файлов (тематических слоев), представляющих географическую основу и собственно климатические параметры.
Алгоритм построения карт изополей по данным климатических показателей, распределенных по сети метеорологических станций, организован с помощью функций интерполяции. Есть возможность использовать следующие методы интерполяции: метод обратно взвешенных расстояний, метод сплайнов, а также метод получивший название «кригинг». В данных исследованиях был использован метод кригинга. Кригинг - это особый метод интерполяции, основанный на предположении, что расстояние или направление между тестовыми точками указывает на пространственную корреляцию, помогающую дать описание поверхности. Кригинг подбирает математическую функцию для заданного числа точек в пределах заданного радиуса, чтобы определить выходное значение для всех точек исследуемой области. Метод включает несколько шагов: предварительный статистический анализ данных, построение вариограммы, создание и анализ дополнительной поверхности изменчивости. Значения климатических параметров, относящихся к сети метеорологических станций, переносятся на карту в соответствии с применяемым методом интерполяции по регулярной сетке с шагом в 500 метров. За счет использования избыточной информации выражающейся в использовании данных с метеорологических станций, не входящих в область исследования, а находящихся на ее ближних рубежах, метод позволяет избежать ошибок, связанных с краевым эффектом интерполяции. Таким образом, формируются растровые изображения, представленные тематическими градиентами климатических показателей и их производных.
Завершающим этапом интерполяции является графическое построение изолиний, необходимых для визуализации неких рубежей (для твердых копий карт) различных климатических показателей. Для создания изолиний программно задается необходимый шаг проведения изолиний и его базовое значение, после чего получается векторная карта необходимого климатического параметра. При создании карт климатических характеристик, после определения растровых градиентов климатических показателей и автоматического построения изолиний, проводилась географическая коррекция полученных результатов. Эта коррекция заключалась в подборе наиболее удачного и характерного шага проведения изолиний для каждого картографируемого показателя, удаление небольших контуров, изменение форм изолиний в соответствии с природными условиями. Для редактирования растровых изображений использовались сглаживающие фильтры, позволившие повысить наглядность и пластику картографируемых явлений.
В электронном виде данные карты представлены в виде растровых и векторных слоев информации и обеспечены соответствующими базами данных, которые позволяют определить значение показателя в любой точке карты и создавать пространственные запросы в виде математической функции, для целей выделения различных граничных условий.
Кроме цифровых карт были подготовлены твердые копии карт, имеющие все свойства серии карт. Серия карт имеет общую географическую основу. Необходимая тематическая нагрузка карт определяет оптимальный масштабный диапазон карт для визуализации на экране и выводе на печать. Он составляет изображения масштаба 1:15000000 - 1:5000000. В масштабе 1:10000000 данные карты выводятся на печать в формате А4.
