Содержание к диссертации
Введение 5
1 Проблемы создания региональных геоинформационных систем
мониторинга природной среды 12
Региональные системы мониторинга природной среды 13
Программное обеспечение и технологии систем мониторинга природной среды '. ....22
Пространственные данные и цифровые модели территорий 30
Методы картографического моделирования и геоинформационный анализ :.. .......................: ...35
Выводы 37
2 Методы и технологии создания картографического
информационного обеспечения региональных систем... 39
Анализ структуры исходных данных и их соответствия требованиям региональной системы 39
Особенности использования ГИС-технологий при подготовке векторных данных 42
Преобразование бумажных источников в цифровую модель территории 42
Преобразование векторных данных в единую картографическую основу 48
Преобразование карт: привязка к координатной сетке 52
Подготовка семантических данных, их предобработка, предварительный анализ для создания, обновления и поддержки единой картографической основы 55
Особенности использования данных дистанционного зондирования и способов их обработки 57
Публикация картографических данных в сети Интернет 60
Выводы 63
3 Построение комплексных цифровых моделей природных
территорий 64
3.1 Особенности создания комплексных цифровых моделей природных
территорий Красноярского края 65
3.2 Актуализация цифровой модели заповедника «Столбы» по данным
дистанционного зондирования 66
Объект исследования . 66
Использование космических снимков 61
3.3 Создание цифровой модели Государственного природного биосферного
заповедника «Центральносибирский» 69
Объект исследования '. ....69
Создание цифровой модели территории заповедника 71
Актуализация цифровой модели территории '.. 72
3.4 Природные ресурсы Красноярского края..... 74
Объект исследования 74
Тематическое картографирование 75 .
Формирование раздела «Земельные ресурсы».... 77
3.5 Выводы 80
4 Методы представления данных экспериментальных измерений и
ДДЗ в региональных геоинформационньгх системах 81
4.1 Оценка загрязнения оз. Шира по данным биолюминесцентного анализа 81
Объект исследования 81
Создание локальной геоинформационной системы оз. Шира.... 82
Построение карт изолиний распределения по данным биолюминесцентного анализа .85
4.2 Изучение особенностей водно-солевого режима рек Енисейского
бассейна 88
Объект исследования 89
Измерение значения солености 90
Результаты обработки показателей значения солености и анализ солености . 92
Построение карт и расчет площади водосборных территорий рек заповедника «Центральносибирский» 100
Исследование отдельных ландшафтно-флористических особенностей заповедника «Центральносибирский» 103
4.4.1 Анализ территории Центрального лесничества 105
4.5 Мониторинг сезонной динамики изменения площадей высотно-поясных
комплексов заповедника «Столбы» по ДДЗ 111
4.6 Выводы; .........;................... 117
5 Подготовка информационного обеспечения региональных систем
мониторинга природной среды 119
5.1 Карты муниципальных образований для АИС «Градостроительный
кадастр» 119
Задачи проекта и особенности использования данных дистанционного зондирования 119
Формирование картографической основы 121
5.2 Атлас социально-экономических карт Ханты-Мансийского АО для
системы «ТЕРРА». '..' 123
Информационно-графическая система «ТЕРРА» 123
Систематизация данных и составление атласа социально- . , экономических карт 124
Карты лесоустройства заповедника «Центральносибирский» 127
Картографическое обеспечение геоинформационной Интернет-системы «Природные ресурсы Красноярского края» 128
Атлас тематических карт 128
Геоинформационный веб-сайт... 128
Геоинформационный веб-сайт заповедника «Центральносибирский» .. 130
Выводы 134
Заключение 136
Список используемых источников 138
Приложение А. Иллюстрации к проекту ГИС
«Центральносибирский» 151
Приложение Б. Список тематических карт по различным характеристикам созданным в рамках
проекта «Природные ресурсы» 153
Приложение В. Список районов и городов, приравненных к районам
Красноярского края 155
Приложение Г. Карты распределения свечения биолюминесцентных
систем оз. Шира 156
Приложение Д. Копии актов о внедрении 160
Введение к работе
Геоинформационные системы (ГИС) стали одним из самых широко используемых инструментов анализа пространственно распределённых данных и исследования систем с пространственно распределёнными процессами; они применяются в различных сферах деятельности человека — от городского планирования до прогнозирования районов бедствий во время стихийных катаклизмов. Широкое применение ГИС нашли и в задачах охраны окружающей среды многих стран и регионов мира. В сочетании с другими методами, ГИС служат эффективным дополнением в работе по разным экологическим и природоохранным проектам, и их часто используют для создания баз данных по редким видам, сообществам и ресурсам, для моделирования последствий антропогенного пресса на чувствительные экосистемы, для разработки планов неистощающего землепользования. Быстрый рост числа задач, решаемых с помощью ГИС, растет, соответственно, и разнообразие различного программного обеспечения ГИС.
При работе фактически с любой ГИС подготовка и преобразование данных является одним из трудоемких, но необходимых этапов для создания векторных моделей любых территорий. Территориально распределенные объекты, связанные с природно-ресурсной тематикой, требуют отдельного комплексного подхода. Это обусловлено разнородностью и разномасштабно-стью данных, которые специфичны по своей структуре. Процессы преобразования этих данных в векторные обеспечены множеством различных технологий. В частности, выполнение настоящей работы потребовало тщательного изучения различных программных продуктов ГИС, их особенностей и недостатков. В результате были отработаны технологии обработки различных картографических данных (бумажные карты, различные готовые цифровые карты, не удовлетворяющие по какому-либо критерию, космические снимки и т.д.).
Предлагаемые в диссертации технологические решения были получены
в процессе разработки следующих проектов: карты административно-территориальных образований (АТО) Красноярского края (насчитывающей 606 АТО уровня сельсовета и 1755 населенных пунктов по краю); карты Ханты-Мансийского автономного округа; набор тематических карт по исследованию озера Шира; карты физико-географических характеристик и экологического состояния природного заповедника «Столбы»; карты заповедника «Цен-тральносибирский» [17; 19; 23; 92]. Предлагаемые технологии не являются единственно возможными при подготовке геоданных, однако они являются наименее трудоемкими, легкими в реализации и доступными для пользователей самого разного уровня подготовки.
Актуальность темы исследования
Проблемы изучения природных ресурсов, оценки их запасов, объема и темпов расходования, возможностей их сохранения и восстановления приобретают в наше время все большую актуальность. Возросла необходимость постоянного контроля состояния и рационального использования лесных массивов, источников пресной воды, животного мира. Для богатого природными ресурсами Красноярского края в условиях экономики переходного периода особенно актуальна задача мониторинга качества природной среды и использования ее ресурсов.
Чрезвычайно протяжённая территория, климатическое, ландшафтное природно-ресурсное разнообразие диктуют необходимость использования пространственных методов и средств анализа. Уровень развития современных геоинформационных технологий позволяет использовать их и как место для хранения, обработки и презентации тематических карт мониторинга, и как инструмент анализа качества природной среды. Соединение технологий ГИС и Интернет позволяет построить системы сбора и обработки данных в региональном масштабе.
В условиях административной и финансово-экономической реформ и в связи с вводом в действие нового Федерального закона о местном самоуправлении задачи мониторинга и контроля использования земельных вод-
ных, лесных и других природных ресурсов получают новую систему показателей, индикаторов и становятся востребованными на уровне поселений.
Таким образом, резко выросла потребность в сравнительно простом, недорогом и эффективном методе формирования пространственных данных мониторинга природной среды и контроля использования ее ресурсов. Такую возможность предоставляют информационные технологии, что и определяет практическую актуальность научно-исследовательских работ, посвященных методическому и информационному обеспечению региональных геоинформационных систем мониторинга природной среды. Их научную значимость подчеркивает тот факт, что геоинформатика, как наука, находится на стадии становления и активно нуждается в собственных методах исследования и технологиях формирования геоданных, описывающих объекты исследования.
Цель работы - разработка методического и информационного обеспечения региональных геоинформационных систем мониторинга природной среды для объектов исследования различного типа - от отдельного заповедника до территориальных образований уровня субъекта федерации, на основе современных информационных технологий и комплексного подхода к анализу характеристик природной среды, с использованием методов картографического моделирования и геоинформационного анализа.
В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:
Разработка комплекса методов и технологических решений для информационного обеспечения региональных ГИС различного типа на основе анализа современных методов и технологий подготовки пространственных данных для автоматизированных систем научно-исследовательского и управленческого мониторинга, решения задач эффективного природопользования.
Построение комплексных цифровых моделей природных территорий и разработка методики создания картографических наборов данных, обеспечивающих решение задач природопользования, управления ресурсами
территории, обработки данных научных исследований особо охраняемых территорий. - Исследование различных характеристик состояния природной среды в научно-исследовательских задачах диагностики, мониторинга и эффективного природопользования:
о анализ экологического состояния вод оз. Шира по интегральному
показателю на основе биолюминесцентных тестов; о анализ водно-солевого режима рек Енисейского бассейна заповедника «Централ ьносибирский»; о создание комплексной цифровой модели заповедника «Центрально-сибирский» на основе материалов лесоустройства и других картографических материалов, а также данных экспедиционных исследований; о определение сезонной динамики изменения площадей различных типов лесной растительности заповедника «Столбы» по данным дистанционного зондирования. Научная новизна работы
Разработана методика подготовки единой картографической основы для многопользовательских Интернет-систем анализа и интерактивного моделирования состояния природных объектов и ресурсов территорий.
Предложена технология актуализации существующих цифровых моделей природных территорий с помощью позиционированных фотографий
- обзорных изображений (preview) космических снимков высокого раз
решения (Landsat, Ikonos и QuickBird), бесплатно доступных в сети Ин
тернет.
3. Предложены методы представления данных экспериментальных измере
ний в геоинформационных системах мониторинга качества водных ре
сурсов для обработки данных:
- биолюминесцентного анализа для оценки загрязнения поверхностных
вод,
- измерений солености с целью выявления гидрохимических характеристик речной сети и проведения первичного экологического мониторинга водосборной территории. Практическая значимость
Апробированы на практике технологические решения для создания (актуализации, наполнения данными) геоинформационных систем анализа и моделирования территориально-распределенных процессов. Разработки были использованы в прикладных проектах и позволили получить следующие результаты:
геоинформационная Интернет-система «Природные ресурсы Красноярского края»;
информационно-аналитический портал «Земельные ресурсы Красноярского края» (заказчик — Комитет по земельным ресурсам и землеустройству Красноярского края);
информационно-аналитический портал «Градостроительный кадастр» (заказчик— Комитет по градостроительству и архитектуре Красноярского края);
атлас социально-экономических карт Ханты-Мансийского автономного округа для информационно-графической системы «ТЕРРА» (заказчик — Комитет по информационным ресурсам Администрации Губернатора Ханты-Мансийского автономного округа);
Создание комплексной цифровой модели территории Государственного природного биосферного заповедника «Центральносибирский»;
веб-сайт заповедника «Центральносибирский».
Для всех указанных информационных систем предложенные в диссертационной работе технологии и методики позволяют пользователю далее самостоятельно продолжать работу по наполнению соответствующих баз данных, в том числе обновлению и актуализации картографического материала, извлечению новых знаний. Все развитые в работе методы обладают высоким уровнем универсальности, а технологические решения - простотой в исполь-
зовании; это позволило их применить при реализации ряда коммерческих проектов фирмы ТОРИНС и хоздоговорных работ Института вычислительного моделирования СО РАН.
Положения, выносимые на защиту:
Методика подготовки единой картографической основы для многопользовательских Интернет-систем анализа и интерактивного моделирования состояния природных объектов и ресурсов территорий. Методика формирует основу для проведения исследований природной территории: построение комплексной цифровой модели, картографическое моделирование и создание геоинформационных Интернет-атласов;
Технология актуализации цифровых моделей природных территорий с помощью позиционированных фотографий - обзорных изображений (preview) для космических снимков высокого разрешения (Landsat, Ikonos и QuickBird), бесплатно доступных в сети Интернет;
Методы представления данных экспериментальных измерений в геоинформационных системах мониторинга качества окружающей среды и оценки водных ресурсов и результаты, полученные на их основе.
Апробация работы
Основные теоретические результаты, отдельные положения, а также результаты конкретных прикладных исследований и разработок были представлены на Конференции молодых учёных ИВМ СО РАН (Красноярск, 2002 г.), на XV конференции молодых географов Сибири и Дальнего Востока (Иркутск, 2003 г.), на конференции «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» (Красноярск, 2003 г.), на Всероссийских научно-практических конференциях «Проблемы информатизации региона» (Красноярск, 2003, 2005 гг.), на международной конференции «Вычислительные и информационные технологии в науке, технике и образовании» (Алматы, 2004 г.), на VII Всероссийском семинаре «Моделирование неравновесных систем» (Красноярск, 2004 г.), на VIII научном совещании по
прикладной географии (Иркутск, 2005 г.) на Всероссийском совещании-
семинаре с международным участием «Дистанционные методы в лесоустройстве и учете лесов» (Красноярск, 2005) и на IV Всесибирском конгрессе женщин-математиков (Красноярск, 2006).
Публикации и личный вклад автора
По результатам диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, 2 методических пособия для студентов, обучающихся по специальностям «Землеустройство», «Земельный кадастр», «Городской кадастр». Исследования, выполненные в ходе диссертационной работы, были поддержаны Российским фондом фундаментальных исследований (гранты РФФИ-ККФН 03-07-96001-р2003енисей_в и РФФИ-ККФН 03-07-96001).
При разработке информационно-графической системы «ТЕРРА» автор участвовал в постановке задачи, создании картографического наполнения, обработке исходных наборов данных.
Автором создано картографическое наполнение геоинформационной Интернет-системы «Природные ресурсы Красноярского края», информационно-аналитических порталов «Земельные ресурсы Красноярского края» и «Градостроительный кадастр».
В проекте ГИС «Центральносибирский» автор участвовал в постановке задачи, выборе методов и технологий создания комплексной цифровой модели территории заповедника. По разработанной автором методике создана векторная топографическая основа масштабом 1:200 000, включающая в себя 22 слоя, а также проведена работа по оцифровке планов лесонасаждений Комсинского и Центрального лесничеств.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из Введения, 5 глав, Заключения, Списка литературы из ПО наименований и 5 Приложений. Работа изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц и иллюстрирована 30 рисунками.
По материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ.
