ВВЕДЕНИЕ
В условиях возрастающего антропогенного воздействия на состояние окружающей природной среды, характеризующегося пространственной неоднородностью, с особой остротой встает задача анализа и оценки состояния компонентов окружающей природной среды. Положение усугубляется и за счет неадекватной реакции различных экосистем и ландшафтов на поступление продуктов антропогенеза. Эта реакция, прежде всего, связана с изменением биогеохимических пищевых цепей и, соответственно с изменением биогеохимической организованности территории. Информационный анализ данных изменений чрезвычайно осложнен Отсутствием проработанных методологических и методических подходов, особенно пространственно ориентированных и учитывающих многочисленные прямые и обратные зависимости между поступающими загрязнителями и откликами различных компонентов экосистем и ландшафтов. Необходимо также подчеркнуть неполноту, неточность, а зачастую и противоречивость информационного обеспечения, отсутствие, как структурированных баз данных, так и алгоритмов работы с такой информацией.
Анализ состояния компонентов окружающей природной среды основан на геохимических и геоэкологических представлениях, которые развивались в работах Полынова (1953), Ковальского (1974), Сочавы (1978), Перельмана (1979), Преображенского (1986), Ретеюма (1988), Пузаченко (1989), Исаченко (1991); Кочурова (1994), Касимова (1997). Подходы к оценке антропогенных факторов рассматривались в многочисленных публикациях (Израэль (1984), Воронов (1988), Глазовская (1988), Александрова (1990), Оценка качества...(1995), Экология...(1997) и др.). Разработанные в этих исследованиях концепции и идеи частично были использованы и развиты в диссертации.
Существующие традиционные методы анализа экологической ситуации (статистические, имитационного моделирования) в условиях синергизма многочисленных факторов окружающей природной среды часто не дают должного эффекта или вызывают большие технические трудности при их реализации. Это связано с тем, что сама задача информационного анализа состояпия и оценки качества окружающей природной среды относится к классу так называемых некорректно поставленных.
В последнее время появился ряд работ, критически рассматривающих сложившуюся ситуацию (Пузаченко, 1989; Александрова, 1990; Безель и др.,
1992; Башкин и др., 1993; Кочуров, 1994; Оценка качества..., 1995; Экология..., 1997). Стало совершенно очевидным, что назрела реальная необходимость интенсивного поиска принципиально новых методов и подходов к анализу состояния, оценке качества окружающей природной среды и эколог ическому нормированию в целом. В настоящее время решение поставленной задачи приобретает огромную актуальность и становится вполне реальным благодаря достижениям современного естествознания, в частности благодаря проникновению в экологию идей и методов точных наук. Использование информационного подхода, базирующегося на новых информационных технологиях (экспертных и геоинформационных системах), позволяет не только количественно описать процессы, происходящие в сложных эко- и геосистемах, но и, смоделировав механизмы этих процессов, научно обосновать методы оценки состояния различных компонентов окружающей природной среды.
К числу наиболее актуальных задач в дайной области следует отнести, прежде всего, задачу создания нового и/или адаптации существующего в других областях знаний программного обеспечения (информационно-советующих, экспертных и геоинформационных систем), позволяющего обрабатывать огромные потоки информации, оценивать реальное состояние экосистем и на этой базе рассчитывать оптимальные варианты допустимого антропогенного воздействия на окружающую среду в целях рационального природопользования. Поэтому цель данной работы остояла в том, чтобы разработать методологические основы анализа и оценки состояния отдельных компонентов экосистем и ландшафтов, используя геоинформационные, экспертные системы, •моделирование и методы работы с экологическими базами данных.
V Для достижения поставленной цели решались следующие задачи :
1) Разработать подходы к проблеме анализа и оценки состояния окружающей природной среды, используя методические приемы работы с пространственно распределенной информацией и географические информационные системы (ГИС).
2) Создать информациоино-совстующую систему для оптимизации землепользования и автоматизированное рабочее место эколога/почвоведа.
3) Адаптировать методику количественной оценки критических нагрузок на экосистемы, используя экспертно-моделирукяцие ГИС .
\ 4) Разработать принципы построения экспертной системы для оценки состояния компонентов экосистем.
создание человеко-машинных систем для математического моделирования природных и социально-экономических процессов в структуре Г’ИС.
Отметим, что наряду с задачами, решаемыми ГИС согласно приведенному выше определению, большое значение имеет способность современных ГИС преобразовывать имеющуюся экологическую информацию с помощью различных моделей (способность к синтезу).
Принципиальное отличие ГИС от экологических баз данных состоит в их региональной направленности благодаря использованию картографической основы (Давыдчук, 1988). Поэтому' в задачах оценки состояния окружающей природной среды необходим переход с использованием ГИС от биогеоценотического уровня рассмотрения проблемы к ландшафтному. При этом в качестве основы ГИС используется ландшафтная карта, по которой в автоматизированном режиме строится серия частных карг, характеризующих основные компоненты ландшафта. Следует подчеркнуть, что экологическое картографирование является цель - ориентированным картографированием. Оно не сводится к покомпонентному картографированию природной организации региона и распределения антропогенной нагрузки. Не следует также думать, что экологическое картографирование представляет собой набор карт по величинам ГТДК различных поллютантов. Под экологическим цель ориентированным картографированием понимается способ визуализации результатов экологической экспертизы, выполненной на качественно новых подходах. Поэтому очень важна синтезирующая роль этого способа представления информации.
Использование ГИС-технологии подразумевает широкое применение различного вида моделей (в первую очередь, имеющих экологическую направленность). Поскольку, как подчеркивалось выше, экологическое картографирование окружающей природной среды опирается на представление о биогсохимических основах миграции загрязняющих веществ в природных средах, при создании ГИС для этих целей наряду с экологическими моделями требуется построение моделей на принципах и подходах географических наук (гидрология, метеорология, геохимия ландшафта). Тем самым модельная часть ГИС развивается в двух направлениях :
-математические модели динамики процессов миграции вещества,
16
-алгоритмы автоматизированного представления модельных результатов в виде тематических карт.
В качестве примера моделей первой группы отметим модели поверхностного стока и смыва, инфильтрационного питания грунтовых вод, русловых процессов и т.д. Типичными представителями второй группы являются алгоритмы построения контуров, вычисления площадей и определения расстояний.
1.4. Структура ГИС и ее основные функции.
В самом общем виде структура ГИС состоит из следующих блоков (рис. 1.4): ввод информации; база данных; система управления базой данных; блок моделей; вывод информации. Внутреннее взаимодействие этих блоков, а также организация диалога пользователя осуществляется системой управления. Поскольку принципиальным является построение структуры ГИС по модульному (блочному) принципу, то это дает возможность расширять систему за счет добавления новых блоков (подсистем) или работать только с определенггой частью (модулем) ГИС. Выделенные выше блоки ГИС имеют следующие функции :
1) Подсистема ввода. Служит для преобразования картографической информации в машинную форму, редактирование этой информации, преобразование координат (повороты, смещения, масштабирование) и, при необходимости, перевод в растровую форму.
2) База данных. Нужна для запоминания и поиска информации. Состоит из двух баз данных - база слоев изображения и база атрибутов этих слоев.
3) Система управления базой данных. Предназначена для обеспечения подсистемы, описанной в пункте 2.
4) Блок моделей. Служит для моделирования и анализа на основе баз данных.
5) Подсистема вывода. Предназначена для представления выходной информации в виде сгенерированных новых карт или таблиц по результатам моделирования.
Используя описанную методологию, мы разработати концепцию ГИС, которая была апробирована для двух масштабных уровней : локального и рег ионального. Первый использовался для обработки и визуализации
17
- Київ+380960830922