Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные проблемы разработки и создания муниципальных экологических информационных систем. Цель и задачи диссертации
1.1. Методологическое и аналитическое обеспечение современной урбаэкологии
1.1.1. Географические основы урбаэкологии
1.1.2. Территориально-планировочные и градостроительные основы
1.1.3. Биологические и гигиенические основы
1.1.4. Инженерно-геологические основы
1.1.5. Инженерно-технологические основы
1.1.6. Основы экологической культуры населения
1.1.7. Методическое обеспечение разработки комплексных оценок и концепции развития
территории
1.2. Правовое обеспечение МЭИС и муниципальные задачи урбаэкологии
1.3. Задачи, свойства и принципы разработки муниципальной экоинформационной системы
1.3.1. Состав экоииформационных задач на различных уровнях муниципального управления
1.3.2. Общие подходы к образу города как к информационной системе
1.3.3. Характер и основные свойства системы
1.4. Принципы разработки муниципальной экоинформационной системы
1.5. Цели и задачи диссертации
Глава 2. Формирование информационного обеспечения и формализация экоииформационных задач муниципального управления
2.1. Структура системы и основные классификации
2.2. Виды информации и состав информационного обеспечения
2.2.1. Блок "Природная среда"
2.2.2. Блок "Городская среда"
2.2.3. Блок "Человек и Общество"
2.3. Этапы разработки системы
2.3.1. Задачи организации и ведения баз данных. Информационно-справочные задачи
2.3.2. Контрольно-аналитические задачи
2.3.3. Задачи комплексной оценки и сводного экологического анализа
2.3.4. Задачи моделирования
2.3.5. Задачи второй стадии разработки системы
Глава 3. Технологические основы разработки муниципальной экоинформационной системы
3.1. Проблемы разработки ГИС-систем
3.2. Основы геоинформационной технологии
3.2.1. Картографическое обеспечение
3.2.2. Вопросы актуализации картографического обеспечения
3.2.3. Картографические форматы данных
3.2.4. Комплекс технически средств
3.3. Основные технологические этапы разработки ГИС-проекта на средствах PC ARC/INFO
3.4. Информационно-технологические схемы типовых экоииформационных задач муниципального управления
3.4.1. Анализ жалоб населения на экологическую обстановку
3.4.2. Анализ риска территории и организационные мероприятия при чрезвычайных ситуациях
3.4.3. Сравнительный анализ функциональной и производственной структуры территории
3.5. Использование международных экологических информационных ресурсов
Глава 4. Муниципальная экоинформационная система па примере территориального отделения Москомприроды по Центральному административному округу
4.1. Опыт разработки и внедрения муниципальной экоинформационной системы территориального отделения Москомприроды по Центральному административному округу.
4.2. Геоинформационная технология и картографическое обеспечение
4.3. Основные ГИС-проекты, реализованные на PC ARC/INFO
4.3.1. Природный комплекс и озеленение
4.3.2. Анализ загрязнения атмосферного воздуха
4.3.3. Анализ транспортной ситуации
4.3.4. Геохимический анализ состояния почвы и снегового покрова
4.3.5. Анализ риска территории и превентивные меры обеспечения безопасности
Выводы
Список литературы
Приложение 1. Справка о практическом использовании результатов диссертационной работы Карфидовой Е. А. "Муниципальная экологическая информационная система"
Приложение 2. Иллюстративный картографический материал
- Географические основы урбаэкологии
- Виды информации и состав информационного обеспечения
- Основы геоинформационной технологии
- Геоинформационная технология и картографическое обеспечение
Введение к работе
В настоящее время можно с уверенностью утверждать, что процессы урбанизации и обусловленные ими проблемы урбаэкологии являются насущными экологическими проблемами планеты. Научная школа и основные методы урбаэкологии основываются на методологии общей теории экологии, по сути являются развитием предметного приложения основных законов и принципов. Различным аспектам урбаэкологии уделяется внимание в международных экологических программах, за последние годы получило развитие специальная программа ЮНЭП по муниципальным вопросам урбаэкологии.
Наибольшее развитие в решении прикладных задач урбаэкологии получили
методы градостроительной науки, которые позволяют исследовать закономерности
взаимодействия градостроительной среды с природной средой. При разработке
прикладных задач урбаэкологии, осуществляя системный подход, принципиально
важно осуществлять комплекс научных подходов к проблеме, который включает:
географические, территориально-планировочные и градостроительные, биологические
и гигиенические, инженерно-геологические, инженерно-технологические и
экологической культуры.
Проблемы урбанизации решаются на различных уровнях управления: федеральном, региональном и муниципальном. В нашей стране накоплены опыт исследования процесса урбанизации и информационные ресурсы в различных природоохранных ведомствах. Но в отсутствии ответственности конкретных структур управления в обеспечении здоровой среды обитания, этот опыт остается не востребованным, он имеет академический, исследовательский характер. Деятельность природоохранных ведомств не координируется, поэтому достигаемые результаты оценок и анализа экологической ситуации носят специфический характер и не позволяют решать задачи оценки экологической ситуации комплексно и тем более решать какие либо задачи управления в обеспечении устойчивого развития города.
С развитием законодательных и правовых актов Российской Федерации по
вопросам роли и ответственности исполнительной власти в обеспечении экологической
безопасности и устойчивого развития общества, в крупных городах, и в Москве в
первую очередь, разрабатываются положения об ответственности конкретных структур
городского управления, муниципальные власти получают большие права в решении
насущных экологических проблем города, в целях реализации этих задач принимаются
местные нормативно-правовые акты, направленные на стабилизацию экологической
ситуации и затрагивающие различные стороны жизни города: вопросы
градостроительного комплекса, охраны окружающей среды и рационального природопользования, гигиены города и ряд других.
В этих условиях муниципальные структуры испытывают потребность в создании экологической информационной системы на муниципальном уровне. В настоящее время различные природоохранные организации (охраны окружающей природной среды, санэпиднадзора, гидрометцентра и другие) работают в городах обособленно: каждое ведомство ограничивает свою деятельность выполнением своих непосредственных функциональных обязанностей; поскольку каждое ведомство по своему понимает объект, цели и методы исследования, использовать создаваемые таким образом экоинформационные ресурсы для разработки насущных задач управления города невозможно.
В муниципальных органах управления существует потребность в интеграции ведомственных экоинформационных ресурсов совместно с городскими информационными ресурсами, реализации системного подхода к этой задаче, который предполагает разработку инструментальных средств и в целом создания системы,
ориентированной на использование муниципальными структурами управления. Таким образом, разработка муниципальной экологической информационной системы (МЭИС) является важной и актуальной задачей.
В разработку МЭИС входят следующие задачи:
определить постановку задач и методические подходы к решению экологических проблем города на муниципальном уровне,
сформировать методическое, нормативно-правовое, и информационно-технологическое обеспечения,
разработать структуру системы, выделить основные блоки и взаимосвязи между ними, формализовать описательную информацию,
разработать методы интеграции разнородных экоинформационных ресурсов с городскими информационными ресурсами на основе создания единой городской картографической основы,
- в составе ГИС-системы разработать задачи типологического анализа и комплексной оценки экологической ситуации и проблемно-ориентированные пользовательские приложения,
- разработать логическую последовательность разработки МЭИС с точки
зрения эффективности использования экоинформационных и вычислительных
ресурсов и достижения конкретного социально-экономического эффекта.
Конечной целью диссертации является разработка муниципальной экоинформационной системы для структур муниципального управления в решении ими совместно с городскими природоохранными организациями оперативных и текущих задач анализа экологической ситуации, осуществления природоохранной деятельности, задач эколого-градостроительного регулирования, ведения городского хозяйства в рамках рационального природопользования, для поддержки принятия решений в комплексе проблем стабилизации экологической ситуации города и обеспечения экологической безопасности, а также для информирования населения и формирования экологической культуры.
Интеграция ведомственных экоинформационных ресурсов совместно с
городскими информационными ресурсами возможна при использовании системного
подхода к этой проблеме на принципах создания географических информационных
систем. При разработке МЭИС предметом исследования являются современные
методы экоинформатики и геоинформатики, позволяющие создать систему,
отвечающую потребностям рассматриваемых структур управления и рациональном
использовании вычислительных ресурсов. Объектом исследования в
диссертационной работе являются структуры муниципального управления, ответственные за экологические вопросы и проведение в жизнь городской политики природопользования и охраны окружающей природной среды.
В первой главе приводится системный анализ сложившихся на настоящий момент научно-методических основ урбаэкологни, которые являются развитием таких законов и принципов общей экологии в урбанизированной среде, как: "Внутреннего динамического равновесия", "Все или ничего", "Минимума", "Эволюцнонно-экологической необратимости", "Незаменимости биосферы", "Принцип Ле-Шателье-Брауна", "Разумной достаточности и допустимости риска", "Меры преобразования природных систем", "Интегрального ресурса", "Генетической предопределенности", "Цепных реакций "жесткого" управления природой".
На любом уровне проблемы постановку задач урбаэкологни наиболее правильно начинать с географического подхода. Город необходимо рассмотреть с точки зрения известных классификаций городов, особенностей экономико-географического положения, анализа процессов изменения городских ландшафтов и исследования
экономико-географических процессов обмена веществ между обществом и природой. Обобщенная информация поможет решить задачу типологической оценки как города в целом, так и отдельных городских территорий, а это позволяет получать комплексную, синтетическую характеристику города и на этой основе наметить пути его развития.
Очень важны территориально-планировочные и градостроительные вопросы, включая оценки градообразующего потенциала города, происходящих демографических изменений, изменений функций территории и показатели качества и эффективности планировочной организации застройки.
В условиях города, когда прогрессирующее антропогенное воздействие вызывает изменения природной среды, особое значение имеют биологические и гигиенические основы, направленные на обеспечение стабильности экосистемы как основе ее устойчивости, способности адаптации ее структуры к внешним воздействиям.
Немаловажным звеном в разработке МЭИС являются инженерно-геологические
задачи, когда к конкретному типу городского ландшафта в зависимости от литогенной
основы, рельефа, водных систем, нагрузки, формируются знания о геохимии
ландшафтов и анализе процессов изменения ландшафтов. В деградированных
ландшафтах существенно не упустить из виду негативные экзогенные показатели
состояния геологической среды (геологический разлом и малые
геофизические подвижки, техногенное изменение рельефа, подтопление, оползни, карстово-сиффузионные процессы, загрязнение поверхностных и подземных вод).
Вопросы инженерно-технологических основ решения задач урбаэкологии являются основным материально-техническим звеном разработки системы. Это подразумевает объединение совокупности данных о новой технике и технологии в части инженерной экологии. Особое значение в современном мире имеют разработка и внедрение новых информационных технологий и систем управления.
В урбаэкологии развитие географических информационных систем (ГИС) обеспечивает полноту и эффективность реализации географического подхода к любой экологической проблеме. На основе ГИС-технологии создается единая географическая основа - базовая для реализации географического подхода и системоорганизующая для реализации других научных основ: территориально-планировочных, градостроительных, биологических, гигиенических, инженерно-геологических и экологической культуры. При интегральном характере задач урбаэкологии принципиальное значение имеют средства разработки и использования компьютерных сетей, обеспечивающих быстрый и качественный доступ к различным источникам информации, сбор, анализ и синтез разнородной информации.
Нельзя считать полной постановку задач разработки муниципальной экологической информационной системы без рассмотрения вопросов формирования экологической культуры. За последнее время получили развитие методы видеоэкологии в приложении к городской среде, которые используют при формализации показателей градостроительной эстетики. В городской среде отношения Человека к Природе имеют потребительский характер, при этом трудно переоценить значение открытой периодической систематизированной экологической информации, что обуславливает необходимость в состав задач муниципального управления включать задачи организации открытого доступа населения к системе. Безусловно, в первую очередь экологическая информация необходима службам городского хозяйства, но также эта информация необходима городскому населению, отвечая задачам экологического просвещения и образования.
В первой главе при рассмотрении совокупности необходимых методов формирования системы обозначены наиболее значимые факторы и показатели, в том
числе и комплексные оценки ситуации и концепции развития территории. В постановке задач осуществлена жесткая привязка к правовым актам, определяющим права, полномочия и обязанности городской исполнительной власти на всех уровнях управления, что позволяет четко сформулировать задачи, свойства и принципы разработки муниципальной экоинформационной системы. При разработке системы предполагается, что система должна быть: сложной, иерархической, динамической, модульной, открытой, прозрачной, интегральной, кооперативной.
Во второй главе диссертационного исследования определены структура системы, рассмотрены вопросы формирования информационного обеспечения. В системе выделяются три основных блока: "Природная среда", "Городская среда" и "Человек и Общество", определяются виды информации (априорная и апостериорная) и состав информационного обеспечения. Определена последовательность этапов разработки системы в соответствии с обоснованной эффективностью затрат, что достигается при соблюдении принципа соответствия используемых информационных и вычислительных ресурсов достигаемым результатам. Это обуславливает на начальном этапе разработку задач организации и ведения баз данных, информационно-справочных задач, затем - контрольно-аналитических задач и далее по мере накопления информационного и программно-технологического потенциала осуществляется продвижение к более сложным задачам.
Третья глава посвящена технологическим основам разработки муниципальной экоинформационной системы. Рассмотрены основные элементы геоинформационной системы: картографическое обеспечение, форматы данных, программное обеспечение, типовые технологические этапы реализации приложений в геоинформационной системе. Также в этой главе рассмотрены информационно-технологические схемы типовых экоинформационных задач муниципального управления на трех уровнях: муниципального округа, административного округа и города в целом.
В четвертой главе диссертации приводятся основные результаты внедрения МЭИС в территориальном отделении Москомприроды по центральному административному округу г. Москвы. В разработанной системе функционируют проблемно-ориентированные ГИС-проекты по наиболее актуальным направлениям природоохранной деятельности:
Природный комплекс и озеленение,
Анализ загрязнения атмосферного воздуха,
Анализ транспортной ситуации,
Геохимический анализ состояния почвы и снегового покрова,
Анализ риска территории и превентивные меры обеспечения безопасности. Как показали результаты разработки системы, интеграция разнородных
экоинформационных ресурсов с городскими информационными ресурсами строится на взаимосвязях трех основных блоков системы, среди которых средообразующим и первостепенным для разработки является блок «Городская среда». На единой городской картографической основе выделяются объекты планировки, для которых определяется соответствующая информация по блокам "Природная среда" и "Человек и Общество".
Разработанные классификации объектов по структурным блокам системы, необходимый состав описательной информации для объекта и субъекта воздействия, источники и особенности априорной и апостериорной информации реализуют системный географический подход к задачам типологического анализа и комплексной оценки экологической ситуации.
В качестве связующего технологического ядра системы, объединяющего отдельные программно-технологические комплексы, используется ГИС-система
ARC/INFO, позволяющая на единой картографической основе объединять разнородную информацию, реализовать развернутые запросы к взаимоотношениям объектов и субъектов воздействия, проводить анализ экологической ситуации на территории, в целом создавать тематические пользовательские приложения для эффективного решения экологических вопросов на муниципальном уровне,
Эффективность МЭИС основывается на кооперации экоинформационных ресурсов городских природоохранных организаций и интеграции с городской интегрированной информационной системой. Логическая последовательность разработки системы строится на эффективности затрат на формирование экоинформационных и вычислительных ресурсов при достижении конкретного социально-экономического эффекта.
В муниципальную экоинформационную систему интегрируются объектно-ориентированные программно-технологические комплексы, которые используются природоохранными организациями.
Основным результатом научного исследования является апробация
муниципальной экоинформационной системы территориального отделения
Москомприроды по центральному административному округу г. Москвы. Как показывает справка из территориального отдела Москомприроды, в системе реализованы задачи формирования базовой картографической и семантической основы, информационно-справочные и контрольно-аналитические задачи, частично - задачи экологического моделирования.
Реализованные в настоящий момент проекты МЭИС отвечают типовым задачам территориального отдела природоохранной организации большого города и могут быть рекомендованы для распространения не только в Москомприроде, но и в других городах.
ГИС-проект "Анализ риска территории и превентивные меры по обеспечению безопасности", используемый в Территориальном Управлении "Замоскворечье", является основой для комплексного решения экобезопасности территории на нижнем уровне муниципального управления.
Внедрение данной системы является экономически эффективным: затраты на ее разработку окупаются снижением трудозатрат по сравнению с выполнением рутинных задач вручную, ведение единой картографической основы и тематических баз данных поддерживает согласованность, четкость и достоверность информации, необходимой для реализации задач анализа экологической ситуации и осуществления природоохранной политики, в том числе работы с природопользователями-загрязнителями по своевременному и в полном объеме собиранию платежей за природопользование.
На данном этапе разработки вычислительный комплекс МЭИС реализован на персональном компьютере. Эффективность системы значительно возрастет с решением вопросов актуализации информации и взаимосвязи с разработкой других информационных систем города при использовании средств связи и сетевой технологии.
Географические основы урбаэкологии
География всегда изучала окружающую среду в целом, объединяя антропогенные и природные компоненты [18] . Урбаэкология базируется на тех направлениях географической науки, в рамках которых ведутся следующие исследования: - типологическое изучение поселений городских агломераций и групповых систем населенных мест, - анализ процессов изменения ландшафтов, городское ландшаф-товедение, - исследование экономико-географических процессов обмена веществ между обществом и природой [19], - исследование в сфере конструктивной географии, разработка теоретических и компьютерных моделей и внедрение их в практику проектирования ландшафтов "повышенной устойчивости", а также геотехнических систем разного вида [20].
Особо важное значение в урбаэкологии занимает классификация и типология городов. В научной литературе можно найти многочисленные опыты типологии и классификации городов по их функциям, размерам, экономико-географическому положению и другим признакам и их сочетаниям [4, 18].
Классификации и типологии необходимы для углубленного анализа существенных особенностей данного города, чтобы определить наиболее эффективную стратегию развития города и заложить структуру МЭИС города и отдельных территорий.
Важно подчеркнуть различие между классификацией и типологией. Под классификацией будем понимать выделение городов и их систем по одному или нескольким признакам, характеризующим их с одной или нескольких сторон. Типология - более высокий уровень обобщения, позволяющий дать комплексную, синтетическую характеристику городов и на этой основе наметить обоснованную стратегию их развития.
Изложенная далее классификация используется в МЭИС при разработке архитектуры информационной системы: - Классификация городов по численности населения, - Типология городов по их экономико-географическому положению, - Классификации и типологии городов по народохозяйственным функциям: а) Многофункциональные, сочетающие административно-полити ческие, культурные и экономические функции, имеющие развитую про мышленность и транспорт; б) Города с резко выраженным преобладанием промышленных и транспортных функций межрайоного значения; в) Города с преобладанием других функций (кроме промышлен ных и транспортных) - главным образом небольшие поселения городс кого типа, выполняющие функции местных центров. - Типология городов по степени их участия в территориальном разделении общественного труда (ОРТ). Степень участия городов в разделении труда зависит от величины города и характера его функ ции. Место городов в системе ОРТ обусловлено характером связи, которые они поддерживают. Одни города обслуживают небольшие тер ритории и являются местными центрами, другие - крупный район и участвуют в межрайонном разделении труда, значение третьих выхо дит за рамки страны, так как они обслуживают международные эконо мические политические и культурные связи.
Экономико-географическое положение (ЭГП) - фундаментальное теоретическое понятие геоурбанистики. В МЭИС должны раскрываться следующие показатели ЭГП: - Историзм. ЭГП изменяется во времени; лишь в определенный период под влиянием сочетаний различных экономических, политических, природных факторов возникают предпосылки, определяющие его действие именно в данной географической точке и вызывающие в ней рост города. - Уникальность. ЭГП - важнейшая индивидуализирующая характеристика. ЭГП предает каждому городу и району города индивидуальность, уникальность, но сложнее всего поддается типологии. - Нерасторжимая связь с территорией, окружающей город. Город создает и усиливает свое ЭГП, особенно этому способствует центральные функции крупных городов. - Интегральность, которая учитывает всю совокупность компонентов ЭГП. При этом необходимо классифицировать все связи, которые существенны для города, раскрыть их взаимодействие и взаимообусловленность и показать положение города в системе других городов. - Взаимосвязность макро-, мезо- и микроположения города [18]. Эти различные компоненты ЭГП взаимодействуют, но они могут в различной степени способствовать развитию города: хорошее макроположение может сочетаться с малоудобным микроположением. Лишь в редких случаях все три вида ЭГП бывают благоприятны, однако при выборе площадок для новых городов такое сочетание может быть достигнуто . Существует также тесная связь микроположения с планировочными инженерными факторами, определяющими возможности развития города. К этим факторам относятся качества площадки, возможности комбинирования и комплексирования промышленных предприятий, наличие строительной базы, инженерной инфраструктуры. Взаимопроникновение географических, планировочных и инженерных подходов имеет здесь особо важное значение. Особое значение имеет ландшафтоведе-ние в комплексе географических наук, исследующих окружающую среду, поскольку его объекты - целостные природные и природно-хо-зяйственные системы, характеризуются взаимодействием слагающих их компонентов.
Очень важно для урбаэкологии определение устойчивости ландшафтов к физическим антропогенным нагрузкам - рекреационным, транспортным и прочим, выявление динамики ландшафтов, что без использования методов физической географии представляется затруднительным, поскольку картина изменения в ландшафтах весьма сложна. Известно, что тому или иному типу ландшафтов соответствует сочетание факторов превращения и перемещения вещества. Городские ландшафты деградируют - в начале выпадают элементы лесных фитоце-нозов, затем начинается их остепнение, дигрессия - деградация старых и возникновение новых комплексов. Необходимо учитывать также возможность техногенных катастрофических изменений в городских ландшафтах (с. 269 - 281 [9]).
Весьма плодотворным представляется использование в урбаэкологии результатов исследований экономико-географических аспектов обмена веществ между обществом и природой, позволяющих решать в первую очередь прикладные проблемы городских отходов [5, 21].
Виды информации и состав информационного обеспечения
В общем виде любая экологическая информационная система содержит описание объекта воздействия, субъекта воздействия и вспомогательную информацию; технологически информация по любому объекту, субъекту и вспомогательному объекту, подразделяется на географическую и описательную. Географическая информация содержит координаты картографического представления объекта и пространственную привязку объекта, а также другие картографические атрибуты, которые необходимы для ориентации и анализа отношений между объектами.
Исходная описательная информация содержит описательные базы данных объектов, необходимые правовые и нормативно-справочные базы данных и вспомогательные документы, связанные с определенным объектом, как например: текстовое описание визуального наблюдения городского парка, или фотография городского вида с определенной смотровой площадки. В процессе работы создается новая информация, она хранится в результирующих базах данных; все данные должны иметь четкую пространственную и временную привязку.
Вопросы технологического взаимодействия географической и описательной информации, решаемые разработкой географической информационной системы (ГИС) на основе ГИС-технологий являются самостоятельным вопросом и будут подробно рассмотрены в следующей главе. В экологической информационной системе средствами ГИС-тех-нологии, анализируются отношения между объектом и субъектом воздействия в различных масштабах и реализуются различные экологические задачи анализа явлений, изучения событий и процессов. Основным элементом ГИС-системы является набор карт для каждого уровня системы на определенный момент времени. ГИС-система может содержать несколько карт в различных масштабах, а в развитии -несколько карт для различных временных моментов, что позволяет решать задачи анализа происходящих процессов и динамики развития.
В муниципальной экоинформационной системе реализуются те задачи, которые необходимы в первую очередь для структур муниципального управления и ориентированы на соответствующие уровни управления. Обычно единицей временного масштаба МЭИС является год, рассматриваемые временные процессы имеют длительность 3 - 5 лет (для среднесрочного анализа) и более 10 лет - для долгосрочного анализа. В экологических задачах, имеющих цикличный характер, важно иметь информацию по основным характерным моментам рассматриваемого цикла, как например, места отдыха рассматриваются для летнего и зимнего периодов.
В настоящее время из-за происходящих изменений в нашей стране (политических, экономических, административных) и трудностей сбора ретроспективной информации в основном развит и используется годовой и среднесрочный анализ. В специфических задачах моделирования, как например, распространения загрязнения, используются другие временные масштабы: часы, сутки, недели; в этих задачах на неизменяющейся топооснове изменяется только информация, характеризующая динамику загрязнения.
Рассмотрим виды воздействия и необходимую информацию для их описания. Воздействие рассматривается систематическое, периодическое и случайное [83]. Систематическое воздействие оказывают постоянно действующие стационарные источники загрязнения и негативные естественные (в первую очередь геологические) процессы. Периодическое воздействие - повторяющееся воздействие за определенный период, случайное - воздействие в силу случайных обстоятельств, которые можно характеризовать оценкой вероятности события за определенный период. В условиях города потенциальные источники загрязнения - нефте- и газохранилища, водопроводные станции, холодильники, различные склады опасных материалов повсеместно распространены, без некоторых подобных объектов не может функционировать городское хозяйство, поэтому они должны рассматриваться как потенциальные источники загрязнения.
Некоторые события и процессы в экологии города, имеющие существенное значение, трудно представить как реальный географический объект: во-первых, отсутствует точная информация о самом объекте, лишь имеется географическая привязка события,содержащая адрес или приблизительное расположение объекта (например, разлив нефти из цистерны), во-вторых, размеры объекта несущественны для выбранного масштаба топоосновы (например, эрозионные процессы), и тогда эти события могут быть представлены на картах условным знаком, который приобретает статус объекта системы, к которому необходимо присоединить текстовое описание.
Воздействие бывает первичное и вторичное. Первичное воздействие - систематическое или периодическое оказывают источники загрязнения и негативные природные процессы, а также случайные природные и техногенные процессы и явления. Естественные природные негативные процессы в городской среде связаны с геологическими условиями ландшафта: эрозионные процессы, подтопление, и т.п. явлениями, которые должны приниматься во внимание [80]. Случайные природные явления: шторм, наводнение, землетрясение и т.п. К случайным техногенным воздействиям относятся различные чрезвычайные ситуации: катастрофы, аварии, пожар, случайный выброс и т.п.
Вторичное воздействие особенно характерно для урбанизированных территорий, оно возникает в тех случаях, когда объект, сам по себе не являясь источником загрязнения, накапливает за значительный период времени загрязнения столько, что сам становится источником загрязнения. Поэтому, решая задачи анализа экологической ситуации по данным систематического первичного воздействия, необходимо проверить, не имеются ли на данной территории и объекты вторичного воздействия.
Рассматриваемое воздействие характеризуется временными параметрами по длительности: кратковременное и длительное. Важнейшей характеристикой воздействия является сила воздействия, приводящая к определенным экологическим последствиям. В сложившейся практике санитарного контроля используются обычно четыре характерных уровня воздействия [84, 85, 8 6]: - слабый уровень, при котором воздействие не влечет за собой потерю здоровья человека, средний уровень, при кратковременном воздействии не влечет потерю здоровья, но при длительном воздействии способен повлечь ухудшение здоровья, - сильный уровень, при кратковременном воздействии влечет потерю здоровья, а для уязвимой части населения - угрозу потери жизни (для детей, хронических больных); длительное сильное воздействие характеризуется смертностью и числом госпитализированных; такие ситуации рассматриваются как чрезвычайные, - критический уровень - такое воздействие при чрезвычайной ситуации, которое при кратковременном, моментном действии вызывает большое число жертв и госпитализированных. Такое воздействие, продолжающееся длительное время называется катастрофическим.
Природоохранные нормативы оценки воздействия, исторически возникшие позднее чем другие нормативы, основываются на санитарно-гигиенических нормах здравоохранения, но дополняются оценками воздействия на компоненты окружающей природной среды, которые напрямую не оказывают влияние на здоровье человека (почвы, растительность, микрооганизмы, животный мир), кроме того, развитие природоохранных и экологических нормативов направлено на оценку комплексного, интегрального воздействия, которое может при длительном действии накапливаться и вызывать необратимые потери и для здоровья человека, и для не возобновляемых природных ресурсов.
В настоящее время в нашей стране такие нормативы только разрабатываются и к сожалению, не являются всеохватывающими и согласованными с нормами здравоохранения, и пока в природоохранной практике применяются редко [ 84, 8 6 ] . Примером применения системного комплексного подхода к анализу загрязняющего воздействия и оценке экологической ситуации в различных регионах Советского Союза являются научно-исследовательские работы Института Географии РАН [22, 84 - 87].
Основы геоинформационной технологии
Из множества определений ГИС можно выбрать наиболее краткое: ГИС - это информационная система, объединяющая географическую и описательную информацию, и предоставляющая пользователю возможность использования различных автоматизированных процессов одновременной обработки и представления этих видов информации для эффективного решения вопросов управления на конкретной территории.
К основным понятиям ГИС относятся два вида информации: географическая (картографическая) и описательная (семантическая). Географическая информация. Географическая информация - это информация представления знаний или сведений о территории в условном плоскостном виде и в определенном масштабе. В первую очередь, к географической информации относится картографическая информация: одна и несколько связанных между собой цифровых карт, но к географической информации относятся также различные изображения земной поверхности, сделанные с помощью аэрофотоснимков, или космических снимков со спутников Земли. В ГИС-системе географическая информация объединяется единой системой координат.
Любая карта является определенной проекцией реальной земной поверхности на плоскость. В зависимости от выбранного метода расчета проекции, карта имеет ту или иную погрешность. Цифровые карты в информационном смысле являются файлами в векторном представлении вложенных картографических объектов. Векторные карты - это совокупность географических объектов, имеющих координаты по осям X и Y в выбранной проекции и представленных по унифицированным единым правилам картографии. Векторные карты имеют единицы измерения: географические координаты (долгота и широта), или линейные координаты абсолютные (метры, километры) или относительные масштабные (миллиметры и сантиметры).
Растровые карты - различные изображения территории в виде единого образа, не имеющего возможности выделения отдельных объектов, изображения эти часто уникальны и зависят от способа их получения и разрешающей способности технических средств воспроизведения. Графические объекты в растровом файле имеют пиксельную привязку.
Оба вида информации (векторные и растровые карты) обязательно имеют определение границ рассматриваемой территории в заданной системе координат. Если мы имеем и векторную карту, и снимок для одного и того же участка территории в виде растрового файла, мы можем объединять эти файлы, накладывая векторный "прозрачный" файл на растровый, совмещая соответствующие граничные координаты. Графический объект. Графический объект - это элемент карты, имеющий иллюстративное, вспомогательное значение, помогающий представлению карты, но не представляющий какой либо географический объект: надпись, условный знак, окружность, нарисованная на карте, для подчеркивания выделенного фрагмента.
Описательная информация - это совокупность данных, сведений об географических объектах, которые объединены в информационные массивы и сведены в таблицы, к которым применимо понятие реляционной базы данных (БД), как об инструменте манипулирования этими данными. Существует доказанная теорема о возможности представления любой структуры данных (правда с некоторой избыточностью) в реляционной модели. Ключевым полем таблиц является уникальный идентификатор географического объекта. Одному географическому объекту может соответствовать сколь угодно много таблиц, объединяющих тематические данные. Возможны таблицы, объединяющие описания объекта по нескольким параметрам. В терминах реляционных баз данных это означает связи: "один" -"один" и "один" - "много". Объекты векторной карты подразделяются на три группы: точки, дуги (линии), полигоны (площадные объекты). Точка - объект представленный парой координат X, Y и не имеющий размеров. Дуга (линия) - объект представленный набором пар координат, имеющий одну размерность - длину. Ширина объекта не выражается в данном масштабе или не существенна. Узел. Узел - это математически заданная точка пересечения нескольких линий. Полигон - объект в виде набора пар координат (или дуг), представляющий собой замкнутый контур и имеющий основные параметры: площадь и периметр. Однотипные объекты по пространственному и тематическому принципам объединенные в слои цифровой карты совместно с соот-ветсвующими описательными данными рассматриваются как отдельный информационный блок системы или тема. Очевидна различная природа географических и описательных данных. Соответственно различны и методы манипулирования (т.е. хранения, ввода, редактирования, поиска и анализа) двух этих составляющих данных ГИС. Наиболее распространенными форматами БД на данный момент являются: dBASE, Paradox, MS Access, форматы данных электронных таблиц, ASCII - файлы.
При выборе определенного формата данных все операции, проводимые ГИС с описательными данными поддерживаются только для этого формата. Для использования данных, представленных в других форматах, необходима их конвертация или технология Open DataBase Connectivity - ODBC. Такими были предыдущие версии всех распространенных на рынке ГИС. Этот путь прошли ARC/INFO, MAP INFO, INTERGRAF и GeoDraw-GeoGraph. В многопользовательском режиме часто используется схема Клиент-Сервер: когда вся обработка атрибутивных данных ведется на специально выделенном компьютере, называемом СУБД сервере. Клиенты, потребляют только результаты запросов и отправляют запросы на сервер БД. Данными возможностями, обладают многие современные западные ГИС - ARC/INFO, MAP INFO, INTEGRAF, Small World, Gradis GIS, продукты компании Siemens и др. Причем некоторые из них опираются на использование только этой возможности доступа к данным. Среди отечественных ГИС продуктов, обладающих такими возможностями, известен только GeoGraph версии 1.5 [117] .
По идеологии Open DataBase Connectivity, применяемой в ГИС -системах, пользователь имеет прозрачный доступ к реляционной базе данных вне зависимости от представления данных на физическом уровне. Но на практике, функциональность СУБД построенной на базе программных средств ODBC, сильно зависит от конкретного формата данных и драйверов ODBC.
Наиболее замечательный пример интеграции двух технологий автоматизированного проектирования и ГИС-технологий - разработка фирмой ESRI (в содружестве с AUTODACKOM) пакета ArcCAD, в котором реализована работа как с форматами Автокада, так и с форматом ArcData, а также доступны основные технологические возможности ARC/INFO.
Обычно в разрабатываемой ГИС-системе объединяются несколько цифровых карт по тематике и по масштабу. Понятие картографическое обеспечение ГИС-системы подразумевает совокупность данных о системе координат, проекции, топологии, делении на слои, граничных координатах, масштабе, коде секретности и т.п. Картографическое обеспечение системы структурируется по темам и по уровням - масштабам карт. Один из уровней картографического обеспечения выбирается как базовый уровень ГИС-системы. Обычно за базовый уровень принимается среднемасштабная карта, но с увеличением масштаба в несколько раз появляются новые слои.
Геоинформационная технология и картографическое обеспечение
Проведенный анализ информационных ресурсов и ранжирование значимости природоохранных и экологических задач позволило сделать вывод о выборе базовой картографической информации на первом этапе разработки в виде совокупности картографических материалов класса землеустройства масштаба 1 : 10 000 - 1 : 20 000. Из имеющихся электронных карт Москвы используется цифровая карта Москвы масштаба 1 : 2 0 000, выполненная АО "РЕЗИДЕНТ" в ГИС - системе MAPINFO и после конвертации подготовленная для использования в ГИС - системе ARC/INFO. Первоначальная цифровая векторная карта содержала слои, приведенные в таблице 4.1. Цифровая карта по составу и объему выбранных объектов соответствует Плану г. Москвы масштаба 1 : 20 000, составленному Комитетом по геодезии и картографии в 1992г. Актуализация карты проводилась с использованием системы глобального позиционирования GPS по сетке с общим числом 100 точек. Далее в ячейках сетки проводились афинные преобразования объектов карты в соответствии с расхождением старых и новых координат по системе GPS. Результирующая средняя точность карты равна 2 0 метрам, что вполне удовлетворяет задачам первого этапа разработки системы. В системе экомониторинга с 1997 года для территориальных отделений Москомприроды предлагается использовать карту-схему Москвы масштаба 1 : 10 000. Наряду с преимуществами более крупномасштабной карты, включающей информационноемкое покрытие зданий и сооружении, имеются и недостатки, связанные с искажениями исходной карты УВД.
Слои цифровой карты были построены по топологии командой BUILD, топология была проверена средствами диагностики программы EDITPLOT и наконец, окончательно покрытия в ГИС-системе ARC/INFO были выверены командой CLEAN.
Покрытия улично-дорожной сети содержали нумерацию домов, что позволило построить эти покрытия в формате геокодирования. Функция геокодирования ГИС-системы позволяет находить расположение объекта по адресу в автоматизированном режиме. Средства диагностики геокодирования показали, что тридцать процентов дуг не имеют нумерации домов (отсутствовали на исходной карте), почти десять процентов содержали ошибки (чаще всего повторение номера дома). Примерно половина всех ошибок была исправлена вручную при сравнении с бумажной картой-схемой ЦАО масштаба 1 : 10 000 для УВД 1986 г.
Картографическое обеспечение получило необходимое развитие: используя планировочные карты-схемы Москомархитектуры и покрытие улично-дорожной сети, были построены покрытия: границы территориальных управлений, кварталов, микрорайонов и промышленных зон. Технология создания новых покрытий включает последовательность действий: - в среде ARC VIEW открывается базовый ГИС-проект, используется функция выбора SELECT в покрытии улично-дорожной сети, - конвертация выбранных объектов во временный формат Shape-file и выход из проекта, - в среде ARC/INFO используется команда SHAPEARC для конвертации Shape-file в формат покрытия ARC/INFO, - последовательно командами BUILD и CLEAN строится и выверяется топология покрытий.
Большое значение в экоинформационных задачах имеет структуризация информации и использование классификаций объектов ГИС МЭИС. В покрытии улично-дорожной сети Москвы существует порядка 4 000 автодорог различной значимости. В общем виде покрытие загружается для визуализации на экран несколько секунд, представление на экране всей территории Москвы по общему покрытию получается чересчур перегруженное и трудное для восприятия, та же ситуация для территории ЦАО, к тому же любые запросы к покрытию выполняются медленно.
Безусловно, необходима генерализация карты: при мелком масштабе должны присутствовать главные объекты и по мере увеличения масштаба появляются более мелкие объекты. Такая генерализация была проделана для базовой карты. По данным НИИиПИ Генплана Москвы автомагистрали были подразделены на 3 класса: первого класса - автомагистрали междугороднего и городского значения, второго класса - автомагистрали районного (окружного) значения и третьего класса - внутрирайонная улично-дорожная сеть. Соответственно в ГИС МЭИС были построены 3 покрытия по классам автомагистралей. Покрытие "Автомагистрали первого класса" загружается автоматически. Линии автомагистралей представлены наиболее выразительно: большей толщиной и ярким цветом. Покрытие "Автомагистрали второго класса" загружается также автоматически, но представлено линиями с меньшим выделением. "Автомагистрали третьего класса" автоматически загружаются при увеличении первоначального масштаба в 10 раз.
Подобное решение обеспечило: - удобство восприятия карты, - дало тематическую смысловую экологическую нагрузку на покрытие улично-дорожной сети, - хорошую реакцию ГИС-сиетемы при запросах. Аналогичное технологическое решение было проделано с точечными объектами базовой карты: железнодорожными станциями и станциями метрополитена.
Представление структурированной информации также достигается организацией легенды покрытия посредством группировки по выбранному полю значений таблицы. Для этого в легенде покрытия из структуры таблицы выбирается нужное поле. Далее определяется число классов и тип классификации: по частоте, равномерное или по задаваемым границам изменения показателя внутри класса. Каждому классу таблицы задаются: тип маркера и размер (для точечного покрытия) , тип линии и толщина (для линейного покрытия) и тип палитры для полигонального покрытия.
В базовой карте было структурировано покрытие "Растительность" по значимости объекта в природно-территориальном комплексе Москвы. В соответствии с Постановлением Правительства Москвы о Природном Комплексе [122] значимость подразделяется на федеральное, общегородское и местное окружное. В таблицу покрытия было введено поле значимости и присвоены каждому объекту соответсвен-ное значение. Группировка таблицы происходила по текстовому полю значимости объекта. В таком представлении карта выглядит более выразительно.
