Использование ГИС технологий для оценки загрязнения окружающей среды на примере г. Ялта

СОДЕРЖАНИЕ Введение

1. Географические информационные системы

1.1 История создания ГИС

1.2 Понятие географических информационных систем

1.3 Классификация и функции ГИС

1.4 Карты и атласы

1.5 Источники данных для ГИС

1.6 ГИС «Черное море»

2. Картографирование техногенных аномалий

2.1 Сущность геохимической оценки аномалий

2.2 Карты для геохимической оценки территорий

2.3 Геоинформационное картографирование

3. Эколого-практическое применение геоинформационной системы ArcView 9 (создание карты-схемы загрязнения атмосферного воздуха города Ялты, от стационарных источников)

3.1 Краткая характеристика населенного пункта.

3.2 Влияние загрязнения тяжелыми металлами на организм человека

3.3 Загрязнение территории города Ялты тяжелыми металлами

3.4 Применение геоинформационной системы ArcView 9 для оценки загрязнения тяжелыми металлами города Ялта Выводы Заключение Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день особую тревогу вызывает антропогенное загрязнение атмосферы городов в результате постоянно увеличивающихся объемов выбросов автотранспорта и деятельности промышленных предприятий. Для эффективного управления качеством воздушной среды города необходима разработка муниципального ГИС-приложения, предназначенного обеспечить полную информационную поддержку принятия решений в области управления качеством атмосферы города и отдельных промышленных зон.

Информатизация коснулась сегодня всех сторон жизни общества, и трудно, пожалуй, назвать какую-либо сферу человеческой деятельности — от начального школьного образования до высокой государственной политики, — где не ощущалось бы ее мощное воздействие. Информатика дышит в затылок всем наукам, догоняя и увлекая их за собой, преобразуя, а порой и порабощая в стремлении к бесконечному компьютерному совершенству. 23]

В науках о Земле информационные технологии породили геоинформатику и географические информационные системы (ГИС), причем слово «географические» обозначает в данном случае не столько «пространственность» или «территориальность», а скорее комплексность и системность исследовательского похода.

Первые ГИС были созданы в Канаде и США в середине 60-х годов, а сейчас в промышленно развитых странах существуют тысячи ГИС, используемых в экономике, политике, экологии, управлении ресурсами и охране природы, кадастре, науке и образовании. ГИС охватывают все пространственные уровни: глобальный, региональный, национальный, локальный, муниципальный, интегрируя разнообразную информацию о нашей планете: картографическую, данные дистанционного зондирования, статистику и переписи, кадастровые сведения, гидрометеорологические данные, материалы полевых экспедиционных наблюдений, результаты бурения и подводного зондирования.

В создании ГИС участвуют международные организаций (Организация объединенных наций, Программа по окружающей среде, Продовольственная программа), правительственные учреждения, министерства и ведомства, картографические, геологические и земельные службы, статистические управления, частные фирмы, научно-исследовательские институты и университеты. На разработку ГИС ассигнуют значительные финансовые средства, в деле участвуют целые отрасли промышленности, создается разветвленная геоинформационная инфраструктура, сопряженная с телекоммуникационными сетями.

Во многих странах образованы национальные и региональные органы, в задачи которых входит развитие ГИС и автоматизированного картографирования, формирование государственной политики в области геоинформатики, национального планирования, сбора и распространения информации, включая и исследование правовых проблем, связанных с владением и передачей географической информации, с ее защитой.

Сущность ГИС состоит в том, что она позволяет так или иначе собирать данные, создавать базы данных, вводить их в компьютерные системы, хранить, обрабатывать, преобразовывать и выдавать по запросу пользователя чаще всего в картографической форме, а также в виде таблиц, графиков, текстов.

Повсеместность использования ГИС привела к многообразию толкований самого понятия. В научной литературе бытуют десятки определений ГИС, в них отмечается, что ГИС — это аппаратнопрограммный и одновременно человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-координированных данных, интеграцию данных и знаний о территории для их эффективного использования при решении научных и прикладных задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением окружающей средой и территориальной организацией общества. Такая несколько тяжеловесная дефиниция верно отражает многие свойства ГИС, используемых в географии, геологии, экологии и других отраслях знания, но все же не является исчерпывающей. Попытка охватить в определении все функциональные, технологические и прикладные свойства ГИС неизбежно оборачивается неполнотой. Можно предложить несколько других толкований, характеризующих разные аспекты ГИС.

С научной точки зрения ГИС — это средство моделирования и познания природных и социально-экономических систем. ГИС применяется для исследования всех тех природных, общественных и природно-общественных объектов и явлений, которые изучают науки о Земле и смежные с ними социально-экономические науки, а также картография, дистанционное зондирование. В технологическом аспекте ГИС (ГИС-технология) предстает как средство сбора, хранения, преобразования, отображения и распространения пространственно-координированной географической (геологической, экологической) информации. И наконец, с производственной точки зрения ГИС является комплексом аппаратных устройств и программных продуктов (ГИС-оболочек), предназначенных для обеспечения управления и принятия решений, причем важнейший элемент этого комплекса — автоматические картографические системы. Таким образом, ГИС может одновременно рассматриваться как инструмент научного исследования, технология и продукт ГИС-индустрии. Это достаточно типичная ситуация на современном уровне научно-технического прогресса, характеризующегося интеграцией науки и производства.

Целью моей работы было изучение возможностей ГИСтехнологий при оценке уровня загрязнения городских территорий. Для решения данной цели были поставлены следующие задачи;

1) Дать общую характеристику геоинформационным системам;

2) Выявить загрязнения атмосферного воздуха города Ялты, от стационарных источников;

3) Разработать карту-схему загрязнения атмосферного воздуха города Ялты, от стационарных источников при помощи геоинформационной Системы ArcView 9

1. ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

1.1 История создания ГИС Географические информационные системы появились в 1960х годах как инструмент для отображения географии Земли и расположенных на ее поверхности объектов, используя компьютерные базы данных. Следы самой первой геоинформационной системы теряются в недрах Министерства обороны США, сотрудники которого использовали ГИС для того, чтобы ракета, летящая в сторону противника, попала в этого самого противника как можно точнее. Правда, существует и альтернативная версия — согласно ей, первая ГИС была создана в Канаде.

Как и в случае с Интернет, мирные применения ждать себя не заставили. В начале 70х годов ГИС начали использоваться для вывода координатно-привязанных данных на экран монитора и для печати карт на бумаге, чем значительно облегчили жизнь специалистам, прежде занятых традиционной бумажной картографией. До появления подобных систем карты анализировались согласно следующей инструкции: «.гидрологическую, растительную и почвенную карты положить одна на другую, тщательно следя за тем, чтобы объекты на каждой карте совпадали. Всю пачку положить на яркий источник света, например, окно».

В это же время появились первые компании, специализирующиеся на разработке и продаже систем для компьютерного картографирования и анализа. Сегодня две крупнейшие компании — разработчики ГИС могут проследить путь с тех времен, хотя поначалу каждая из них делала упор на различных аспектах технологии. Внимание компании Intergraph Corp., главный офис которой расположен в Хантсвилле, штат Алабама, было сфокусировано на эффективном вводе и хранении пространственных данных и на подготовке к печати карт, созданных компьютером, которые соперничали бы по картографическому качеству с традиционными бумажными картами. Внимание Environment Systems Research Institute (ESRI), главный офис которой расположен в Редланде, штат Калифорния, было сфокусировано на разработке процедур и функций для анализа данных в ГИС. За годы, прошедшие с той поры, обе компании практически сравняли возможности своих систем. [14]

В начале только самые крупные государственные организации, коммунальные службы и корпорации могли позволить себе использовать ГИС из-за их высокой цены. ГИС работали на мэйнфреймах и ми ни компьютерах и типичная рабочая станция с установленной на ней ГИС стоила больше, чем 100 тыс. долларов (если учитывать все аппаратное и программное обеспечение и затраты на обучение персонала). Тем не менее, в 80х годах рынок ГИС быстро рос, в основном за счет того, что многие журналы и профессиональные ассоциации пропагандировали преимущества, которые дают геоинформационные системы. В 8Ох также появились системы управления пространственными базами данных, целью которых было связать системы управления базами данных и компьютерное картографирование. В этих системах пользователь уже мог, указав на объект на карте, получить некую содержательную информацию. Спрос на тематическую картографическую информацию заставил обратить внимание на проблему сбора данных. Результатом стала интегрированная среда данные дистанционного зондирования, цифровая модель местности, карта дорог, геологическая карта и все прочие виды и типы карт мирно сосуществовали в рамках одной системы.

Основной прорыв, тем не менее, произошел с появлением персональных компьютеров. ГИС быстро адаптировались к этой новой, более дешевой платформе и цена систем начала падать по мере того, как число пользователей и организаций, которые могли бы позволить себе ГИС, увеличивалось. Согласно Dataquest, мировой рынок ГИС-продуктов и услуг составил в 1997 году 2,5 млрд. долларов, разделенный примерно пополам между продажами в Северной Америке и во всем остальном мире, и растущий примерно на 15% в год.

Впервые термин «географическая информационная система» появился в англоязычной литературе и использовался в двух вариантах, таких, как geographic information system и geographical information system, очень скоро он также получил сокращенное наименование (аббревиатуру) G1S. Чуть позже этот термин проник в российский научный лексикон, где существует в двух равнозначных формах: исходной полной в виде «географической информационной системы» и редуцированной в виде «геоинформационной системы».

Очень кратко ГИС определялись как информационные системы, обеспечивающие сбор, хранение, обработку, отображение и распространение данных, а также получение на их основе новой информации и знаний о пространственно-координированных явлениях.

1.2 Понятие географических информационных систем Термины «данные», «информация» и «знания» стали общеупотребительными, постоянно встречаясь в газетах, телеи радиопередачах, научных и научно-популярных публикациях. Смысл их кажется предельно ясным, и они легко заменяются не только в быту, но и науке такими словами, как «сообщения», «сведения», «сигнал», «материалы» и др. При этом не обращают внимания на то, что эти понятия, имея много общего, заметно разнятся по своей сути.

Под «данными» понимается совокупность фактов и сведений, представленных в каком-либо формализованном виде (в количественном или качественном выражении) для их использования в науке или других сферах человеческой деятельности. Иначе говоря: «Данные соответствуют дискретным зарегистрированным фактам относительно явлений, в результате чего мы получаем информацию о реальном мире… Слово „данные“ происходит от латинского „datum“, буквально означающего „факт“. Тем не менее данные не всегда соответствуют конкретным или действительным фактам. Иногда они неточны или описывают нечто, не имеющее место в реальной действительности (идею). Будем называть „данными“ описание любого явления (или идеи), которое представляется достаточно ценным для того, чтобы его сформулировать и точно зафиксировать».

Применительно к характеризуемой нами сфере «данные» можно рассматривать и определять в трех контекстах: вне автоматизированной среды использования, внутри ее и в среде ГИС. В первых двух контекстах под «данными» понимаются либо факты, некие известные вещи (из которых могут быть выведены заключения), либо сведения, подготовленные для компьютерной обработки. Под «данными» в среде ГИС понимаются «объекты о явлениях реального мира; результаты наблюдений и измерений этих объектов. Элемент данных содержит три главные компоненты: атрибутивные сведения, которые описывают сущность (семантику), характеристики, переменные, значения и тому подобные его квалификации; географические сведения, характеризующие его положение в пространстве относительно других данных; временные сведения, описывающие момент или период времени, для которого предоставляются данные» [The 1990;GIS Sourcebook, 1990. —- P. А10]. «Данные», по определению М. Конечного и К. Раиса [М. Копеспу, К. Rais, 1985], выступают как сырье, которое путем обработки можно превратить в информацию, т. е. данные — это как бы строительный элемент в процессе создания информации. Они рассматриваются как объект обработки и основа для получения информации.

В практическое понимание «информации» в настоящее время в основном включаются «процессы обмена разнообразными сведениями между людьми, человеком и автоматом — актуальная информация, процессы взаимодействия объектов неживой природы потенциальная информация, степень сложности, организованности, упорядоченности той или иной системы» [Краткий словарь…, 1979 — С. 114−115] Такое понимание основывается на существовании в современной науке нескольких парадигм, которые с разных сторон стараются объяснить факты и явления информационного порядка. Кратко рассмотрим основные из них.

К первой (по времени возникновения) надо отнести теорию К Шеннона, согласно которой количество информации определяют по формуле:

I= -Е Pi log2Pj

где I — количество информации; р, — вероятность появления 1-го сигнала; п — количество всех возможных сигналов. У этой теории есть значительный недостаток — она не учитывает содержательную сторону информации. Как отмечал Л. Бриллюен: «совокупность из 100 букв, выбранных случайным образом…, фраза в 100 букв из газеты, пьесы Шекспира или теоремы Эйнштейна имеют в точности одинаковое количество информации».

Сторонники других (физических) концепций считают, что информация — фундаментальная категория (понятие) [Д.И. Блюменау, 1989. С. 15], т. е. такая же основа мироздания, как вещество или энергия. Подобные воззрения характерны, например, для Н. Винера: «…информация есть информация, а не материя и не энергия» (цит. по [М. Мазур, 1974.—С. 18]).

Также по-разному представляют основные принципы понятия «информация» и философы. По мнению одних, информация существует лишь при коммуникативных процессах с участием человека [Д.И. Блюменау, 1989]. Другие полагают существование и потенциальной информации (при взаимодействии между собой объектов неживой природы) [Краткий словарь…, 1979. —С. 114—115].

Необходимо отметить, что количество концепций и парадигм довольно велико. Тем не менее складывается парадоксальная ситуация — разработаны количественные методы вычисления информации, имеется множество определений понятия «информация», но при этом существующие теории не дают адекватного, качественного понимания ее смысловой сущности, когда производят расчет количества информации. Иными словами, количественная сторона проблемы относительно развита, но не обеспечена качественным пониманием объекта вычисления.

В чем же все-таки заключается проблема определения и понимания информации? Исходя из принципа Винера, предположим, что информация действительно присуща всему в нашем мире. В подтверждение того, что информация может быть по значению сравнима с веществом и энергией, приведем следующие аналогии [ В. С. Тикунов, 1992].

Информацию, как и вещество, и энергию, можно передавать и принимать, накапливать, использовать.

1. Предположим также, что существование информации объективно, не зависит от наших знаний, а восприятие — субъективно и определяется умением пользоваться той или иной знаковой системой (или хотя бы знаниями о ее существовании).

2. Физические объекты и явления (например, материальное тело имеют множество характеристик: высота, длина, плотность, упругость, масса, вес и т. д., но нет Одной универсальной. Можно предположить, что и информация может описываться самыми разнообразными характеристиками и нельзя ограничиваться только вычислениями ее количества.

3. Вполне вероятно (пока это не более, чем гипотеза) наличие двух основных законов: а) закона сохранения информации, который должен формулироваться аналогично законам сохранения массы и энергии; б) закона взаимодействия двух объектов, обладающих информацией (возможно, он будет иметь такую же алгебраическую формулу, как и законы Ньютона и Кулона).

Анализируя и обобщая многие определения информации, сделаем следующий вывод-определение: информация — все, что может быть сообщено. При этом основное различие внутри этого понятия состоит не в информации живой (и неживой) природы и человека, а в существующей (наличествующей) и передаваемой информации. Существующая информация — сведения, которые можно сообщить о каком-то объекте (явлении), некоторое подобие потенциальной энергии. Передаваемая информация — сообщаемые по каналу информации сведения, это в определенной степени аналог кинетической энергии (рис. 1). Хотя потенциальная энергия Ер может перейти полностью в кинетическую Ею, а существующая информация по-иному связана с передаваемой, все же некоторая аналогия между энергией и информацией просматривается. Передаваемая информация зависит от более или менее удачно подобранных знаковых систем и отдельных знаков, существующая же информация объективна и определяется только тем объектом или явлением, в котором заключена. Перейдем теперь к понятию «знание». Определений «знания» также много, как и определений «информации». Так, Л. Бриллюен считает, что информация отлична от знания «Для которого у нас нет количественной потенциальной меры [л Бриллюен, 1960. — С. 30].

Последнее предложение необходимо дополнить: включенное субъективно в субъективный процесс, т. е. знания — это интерпретация информации. Однако интерпретация в известном смысле не ограничивается знанием и этот ряд полностью будет, вероятно, выглядеть следующим образом: информация — знание — мысль (гипотеза).

«Знания» в философском их понимании — отражение семантических аспектов окружающей действительности в мозгу человека или даже в технической системе. Отметим также историческую последовательность привлечения данных, информации и знаний в геоинформатике. Так, вначале появились банки данных, позднее оформились географические информационные системы и, наконец, появились системы, основанные на знаниях, — интеллектуальные системы.

Возвращаясь непосредственно к геоинформационным системам, важно подчеркнуть их способность хранить и обрабатывать пространственные, или географические, данные, что и отличает ГИС от иных информационных систем. Распространено мнение, утверждающее тождественность понятий «географические информационные системы» и «пространственные (пространственно-координированные, пространственно распределенные) информационные системы», т. е. слово «географические» в данном контексте имеет смысл не обозначения науки, а характеристики пространственно-сти. При таком подходе нельзя поставить в один ряд с географическими системами геологические, геофизические и другие системы, что также встречается в литературе. Они все являются пространственными, а следовательно, и географическими. Естественно и то, что ГИС объединяет в единую систему пространственную информацию и информацию других типов для решения пространственных задач.

ГИС различаются предметной областью информационного моделирования; среди предметно-ориентированных, как правило, ведомственных ГИС бывают природоохранные ГИС, земельные информационные системы (ЗИС), городские, или муниципальные, ГИС (МГИС), ГИС для целей предотвращения и локализации последствий чрезвычайных ситуаций (ГИС для целей ЧС) и др.

Проблемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней научными и прикладными задачами. Они могут быть выстроены в ряд по мере усложнения и наращивания возможностей управления моделируемыми объектами и процессами: инвентаризация (кадастр, паспортизация) объектов и ресурсов, анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений. [7]

1.3 Классификация и функции ГИС Классификация ГИС по их функциональности связана с программным обеспечением ГИС. Пока же уместно выделить самые общие функции ГИС, вынесенные в ее определение выше: это получение данных, их ввод в компьютерную (точнее цифровую среду), хранение (в том числе обновление, или актуализация), обработка, вывод (например, в форме карт), распространение и использование данных, включая принятие решений на их основе. Классическая схема функций ГИС, предложенная «патриархом» канадской и мировой геоинформатики Р. Томлинсоном и неоднократно воспроизведенная в отечественных и зарубежных монографиях и учебниках, приведена на рис. 1 Соответственно этим обобщенным функциям выделяются структурные единицы ГИС: ее подсистемы (блоки, модули), включая подсистему ввода и т. д. Известна также классификация ГИС по уровню управления. Например, в зависимости от уровня органов государственного управления, использующих ресурсы геоинформационной системы, различают ГИС федерального, регионального и специального назначения, причем под последними понимаются системы, используемые дня обслуживания информационных потребностей конкретных отраслей народного хозяйства.

Гис как системы проектируются, создаются и эксплуатируются в комплексе составляющих их компонентов (блоков, подсистем, функциональных модулей), обеспечивающих функциональную полноту, адекватную решаемым задачам, возможность расширения функций и модификации системы.

Реализация ГИС — многоэтапный процесс, включающий исследование предметной области и требований пользователя к системе, ее технико-экономическое обоснование (анализ соотношения «затраты — прибыль»), системное проектирование, детальное проектирование на уровне научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, тестирование и прототипирование, опытную и штатную эксплуатацию.

При рассмотрении объектов информационного (геоинформационного) моделирования в ГИС предполагалась достаточность их описания в терминах пространственных координат. Решение многих задач предусматривает необходимость координирования пространственных объектов во времени. Задание четвертой координаты объекта — времени ЯШ позволяет ввести понятие пространственно-временных данных. Ими оперируют пространственно-временные ГИС.

Резюмируя вышеизложенное, под географической информационной системой будем понимать аппаратнопрограммный человеко-машинный комплекс, — обеспечивающий сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-координированных данных, интеграцию данных, информации и знаний о территории для их эффективного использования при решении научных и прикладных задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением окружающей средой и территориальной организацией общества. Иногда этап сбора данных, осуществляемый методами дистанционного зондирования, глобального позиционирования и другими, сводят к технологии их ввода в ГИС. Наконец, необходимо отметить второе значение термина «ГИС"как синонима программных средств, программного продукта, программного обеспечения ГИС, реализующего функциональные возможности ГИС в первом (основном) его значении.

Источники пространственных данных для ГИС — основа их информационного обеспечения. Затраты на информационное обеспечение геоинформационных проектов достигают 90% от их общей стоимости. В литературе постоянно упоминается еще одна достойная внимания цифра — до 70% всех данных, составляющих информационные ресурсы наций, регионов и ведомств, имеют пространственную привязку или могут быть более или менее легко координированы, получив статус пространственных. Тем не менее информационное обеспечение ГИС остается крайне трудоемким делом. Это связано с тем, что цифровая среда существования ГИС предполагает цифровую форму обрабатываемых ею данных, а основную массу источников составляют аналоговые данные («бумажные» карты, статистические табличные отчеты, тексты). При анализе и оценке различных типов источников как основы информационного обеспечения ГИС следует иметь в виду их общие свойства, а именно пространственный охват, масштабы, разрешение, качество, форму существования (аналоговая — цифровая), периодичность поступления, актуальность и обновляемость, условия и стоимость получения, приобретения и перевода в цифровую форму (цифрования), доступность, форматы представления, соответствие стандартам и иные характеристики, которые объединяются обобщающим термином «метаданные» («данные о данных»).

ГИС, как правило, оперируют различными упорядоченными наборами данных. Среди них традиционно различают картографические, статистические, аэрокосмические материалы, которые преобразуются и вводятся в среду ГИС и/или заимствуются из других геоинформационных систем — поэтому именно они будут предметом рассмотрения в данном подразделе. Помимо указанных материалов реже используются данные специально проводимых полевых исследований и съемок, а также литературные (текстовые) источники, что дает нам право охарактеризовать их лишь в самом общем виде. «Тип источника» объединяет генетически однородное множество исходных материалов, каждое из которых сильно различается по комплексу характеристик, что и будет проанализировано ниже. К ним принадлежит, например, такой важный знак — в какой: цифровой (векторной, растровой) или нецифровой (аналоговой) форме получается, хранится и используется тот или иной набор данных, от чего зависят легкость, точность ввода этих данных в цифровую среду ГИС.

Использование географических карт как источников исходных данных для формирования баз данных удобно и эффективно по ряду причин. Во-первых, атрибутивные характеристики, полученные с картографических источников, имеют территориальную привязку, во-вторых, в них нет пропусков, «белых пятен» в пределах изображаемого пространства (территории, акватории и др.) и, в-третьих, уже имеется множество технологий перевода этих материалов в цифровую форму. Картографические источники отличаются большим разнообразием — кроме общегеографических и топографических карт насчитываются десятки и даже сотни типов различных тематических карт, один только перечень которых занял бы не одну страницу текста. Детальная характеристика обеспеченности картографическими материалами^{достаточно} стабильна.

В каждом из этих классов могут быть выделены сюжеты, имеющие «экологический уклон», полезные для экологии" [Комплексное…, 1997. — СП]. Действительно легко отметить некоторую условность разграничения карт, когда, например, на комплексных и синтетических экологических картах происходит совмещение или слияние разнородных тематических слоев, относящихся к разным типам. Тем не менее, исходя из классификаций [А.Г.Исаченко, 1992; Л. М. Смирнов, 1994; В. И .Стурман, 1995 ид], выделяют крупные блоки экологических карт биоэкологические, геолого-экологические, географо-экологические, антропоэкологические, социально-экологические, общие экологические [Комплексное…, 1997]. В 90-е годы XX в. в России была проделана значительная работа по преобразованию аналоговой информации общегеогеорафических, топографических и геологических карт в цифровой (векторный) вид. Для выполнения этих работ в Роскартографии были созданы центры геоинформатики (Росгеоинформ, ГосГИСЦентр, СевЗапгеоинформ, Сибгеоинформ, Уралгеоинформ и Дальгеолинформ) которые, используя технологии, разработанные в НИИ ПМК (Нижний Новгород), выполнили работы по цифрованию карт масштаба 1:1 ООО ООО и 1: 200 ООО. В последующем Росгеоинформ был слит с ГосГИСЦентром, а Дальгеоинформ вошел в состав Хабаровского АГП. Результаты работы центров хранятся и поддерживаются в актуальном состоянии в Фонде цифровой пространственной информации в ГосГИСЦентре.

Созданием цифровых карт практически всех перечисленных выше типов занимаются также соответствующие профильные организации и ведомства. Так, например, геологические карты в цифровом виде создают региональные информационно-компьютерные центры Министерства природных ресурсов РФ. Вся работа по созданию цифровых геологических карт выполняется с использованием нескольких ГИС — Arclnfo, ArcView (ESRI, Inc.), ГИС «ПАРК» (Ланэко), GeoGraph/GeoDraw (ЦГИ ИГ РАН). Созданные на настоящий момент карты хранятся в ГлавНИВЦе МПР. Информация о состоянии работ по созданию цифровых геологических карт доступна в Интернете на сайте государственного банка цифровой геологической информации Министерства природных ресурсов. 2].

1.4 Карты и атласы Следует отметить особую роль серий карт и комплексных атласов, где сведения приводятся в единообразной, систематизированной взаимно согласованной форме: по проекции, масштабу, степени генерализации, современности, достоверности и другим параметрам. Такие наборы карт особенно удобны для создания тематических баз данных. В последние годы более часто стали создаваться не серии карт, а атласы самой различной тематики. Причем заметим, что упорядочение тематических слоев в них может быть самым разнообразным и определяется целевой установкой атласа. Так, например, в учебниках по картографии, а обновление фондов тематических карт до 1990 г., регулярно характеризовалось в выпусках ВИНИТИ РАН «Итоги науки и техники. Картография». В настоящее время эта информация содержится в многочисленных каталогах хранилищ карт, в том числе доступных через Интернет.

Кратко охарактеризуем основные блоки картографических источников. Организация таких блоков может основываться на имеющейся системе классификации карт.

Общегеографические карты. Топографические (масштаб 1: 200 ООО и крупнее), обзорно-топографические (от 1: 200 000 до 1: 1 0 включительно) и обзорные (мельче 1: 1 000 000) карты содержат разнообразные сведения о рельефе, гидрографии, почвенно-растительном покрове, населенных пунктах, хозяйственных объектах, путях сообщения, линиях коммуникаций, границах. В геоинформатике эти карты служат для двух целей — получения информации о перечисленных объектах местности и пространственной привязки тематических сведений. К этой же группе источников можно отнести фотокарты и космофотокарты. полученные с использованием фотопланов, составленных по результатам аэрои космической съемки, с нанесенными на них горизонталями и другой картографической нагрузкой, обычной для общегеографических карт. Среди тематических карт выделяют карты природы, населения и др.

Карты природы. Это наиболее разнообразная по тематике группа карт, включающая карты геологического строения и ресурсов недр, геофизические, рельефа земной поверхности и дна океанов, метеорологические, гидрологические и океанографические, почвенные, геоботанические, зоогеографические, медико-географические, ландшафтные и общие физико-географические, охраны природы.

Карты народонаселения. Среди карт народонаселения выделяют следующие основные сюжеты: размещение населения по территории и расселение; этнографическая и антропологическая характеристика народонаселения; демографическая характеристика, социально-экономическая характеристика.

Карты экономики. Данный класс карт наиболее обширен и разнообразен среди карт социально-экономической тематики. Здесь, прежде всего, выделяют карты промышленности. Еще более многочисленны карты сельского хозяйства. Широко используется характеристика природных ресурсов, зачастую с их хозяйственной оценкой и прежде всего земельных фондов, трудовых ресурсов, материально-технической базы сельского хозяйства и др. Отраслевые карты сельскохозяйственного производства подразделяют на карты земледелия и животноводства. Карты лесного хозяйства характеризуют распространение и использование лесных ресурсов. Карты транспорта отображают разнообразные проявления деятельности всех видов транспорта, а также дают их общую комплексную характеристику.

Карты науки, подготовки кадров, обслуживания населения связаны как с картами народонаселения, так и экономики. Поэтому некоторые виды карт иногда характеризуются в двух предыдущих разделах (карты торговли, связи и т. д.), а иногда их выделяют в качестве самостоятельных групп в пределах карт науки, подготовки кадров и обслуживания населения. Однозначной классификации карт в данном случае нет.

Отдельно выделяются политические, административные и исторические карты. Что касается классификации экологических карт, то можно согласиться с тем, что они «…не имеют четких различий по содержанию ни с картами природы, ни с социально-экономическими картами. В каждом из этих классов могут быть выделены сюжеты, имеющие „экологический уклон“, полезные для экологии» [Комплексное…, 1997]. Действительно легко отметить некоторую условность разграничения карт, когда, например, на комплексных и синтетических экологических картах происходит совмещение или слияние разнородных тематических слоев, относящихся к разным типам, выделяют крупные блоки экологических карт — биоэкологические, геолого-экологические, географо-экологические, антропо-экологические, социально-экологические, экономико-экологические, общие экологические.

Важным источником цифровой пространственной информации становится Интернет. Следует выделить два направления обеспечения цифровой информацией через Интернет — продажа данных (в основном для навигационных систем) и предоставление данных как ресурса для размещения собственной (обычно рекламной) информации. В первом сегменте в качестве примера можно назвать сайты фирм Ингит, С-Мар, а во втором — e-atlas.ru и nakarte.ru. 12]

1.5 Источники данных для ГИС Одним из основных источников данных для ГИС являются материалы дистанционного зондирования. Они объединяют все типы данных, получаемых с носителей космического (пилотируемые орбитальные станции, корабли многоразового использования типа «Шаттл», автономные спутниковые съемочные системы и т. п.) и авиационного (самолеты, вертолеты и микроавиационные радиоуправляемые аппараты) базирования и составляют значительную часть дистанционных данных (remotely sensed data) как антонима контактных (прежде всего наземных) видов съемок, способов получения данных измерительными системами в условиях физического контакта с объектом съемки. К неконтактным (дистанционным) методам съемки помимо аэрокосмических относятся разнообразные методы морского (наводного) и наземного базирования, включая, например, фототеодолитную съемку, сейсмо-, электро-, магниторазведку и иные методы геофизического зондирования недр, гидроакустические съемки рельефа морского дна с помощью гидролокаторов бокового обзора, иные способы, основанные на регистрации собственного или отраженного сигнала волновой природы.

Аэрофотосъемку в нашей стране начали осуществлять с 30- х годов XX в. И к настоящему времени накоплен фонд снимков, полностью покрывающих страну, а для многих районов с многократным перекрытием, что особенно важно при изучении динамики объектов. Материалы аэрофотосъемки используются в основном для топографического картографирования страны, а также широко применяются в геологии, в лесном и сельском хозяйстве.

Виды космических материалов очень разнообразны. Существуют две технологии космических съемок: съемки с использованием фотографических и сканерных систем[14].

Дистанционно зондирование осуществляется специальными приборами — датчиками. Датчики могут быть пассивными и активными, причем пассивные датчики улавливают отраженное или испускаемое естественное излучение, а активные способны сами излучать необходимый сигнал и фиксировать его отражение от объекта. К пассивным датчикам относятся оптические и сканирующие устройства, действующие в диапазоне отраженного солнечного излучения, включая ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны. К активным датчикам относятся радарные устройства, сканирующие лазеры, микроволновые радиометры и др. В настоящее время в области разработки оперативных космических электронных систем дистанционного зондирования наметилась тенденция к комбинированному использованию различных многоканальных, многоцелевых датчиков с высоким разрешением, включая всепогодное оборудование. Наряду с этим по-прежнему используются неоперативные космические системы с панхроматическим фотооборудованием и многоспектральными фотокамерами, обеспечивающими высокое разрешение и геометрическую точность.

Результаты дистанционных измерений, осуществляемых с помощью бортовой информационно-измерительной аппаратуры аэрокосмической системы, представляют собой регистрацию в аналоговой или цифровой форме характеристик электромагнитного излучения, отраженного от участков земной (водной) поверхности или собственного излучения этих участков.

Для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) используются ультрафиолетовый, видимый или световой диапазон, ближний или фотографический, инфракрасный, тепловой инфракрасный и микроволновый диапазоны волн электромагнитного излучения.

В условиях облачности, покрывающей 70 — 80% поверхности

Земли, зондирование в микроволновом диапазоне позволяет регистрировать излучение сквозь облака, при этом в миллиметровом и сантиметровом диапазонах еще необходимо учитывать влияние атмосферы, а в дециметровом диапазоне в этом нет необходимости;

При высоком качестве изображения фотографические съемки выполняются не систематически; лишь в отдельных случаях возможно получение повторных снимков на одну и ту же территорию. Из-за эпизодичности съемок и трудностей, связанных с облачностью, регулярное покрытие территории таким видом съемки не обеспечивается. Поэтому приходится обращаться к других типов — телевизионным и сканерным снимкам со спутников двойного назначения и ресурсных спутников. Эти снимки бывают сверхвысокого разрешения разрешения от 0,5 до 5 м (QuickBird-2, США и др.), высокого разрешения: от 5 (SPOT) до 30−40 м (Landsat ТМ, Ресурс-0 и др.); среднего разрешения: 150−200 м (Ресурс-0, Метеор-Природа) и малого разрешения: 1 км (NOAA, США) и более.

На сканерных снимках хорошего качества, особенно на цветных синтезированных, в целом выделяются те же объекты, что и на фотографических снимках, но при этом обеспечивается регулярная повторяемость съемки и удобство автоматизированного ввода в базы данных, поскольку они поступают в цифровом виде К обзорным телевизионным и сканерным снимкам с метеорологических и ресурсных спутников относятся снимки, получаемые сканерами среднего и малого разрешения.

Снимки в невидимом диапазоне спектра электромагнитных волн распространены менее широко, среди них тепловые инфракрасные и снимки в радиодиапазоне (микроволновом и ультракоротковолновом). В последние годы все большее значение придается гиперспектральной съемке.

Характеризуя различные стороны дистанционного зондирования, следовало бы сказать и о масштабах, проекциях, периодичности, орбитах, покрытии и других параметрах космических систем, что излишне для учебника по геоинформатике.

В последние годы стали широко использоваться уже упоминавшиеся глобальные системы позиционирования, дающие возможность получать координаты с точностью от нескольких метров до нескольких миллиметров, что в сочетании с портативными персональными ЭВМ и карманными персональными компьютерами со специализированным программным обеспечением обработки данных позволяет использовать их для полевых съемок в условиях необходимости их сверхоперативного выполнения (например, при ликвидации последствий стихийных бедствий и техногенных катастрофах) Теперь обратимся к статистическим материалам, имеющим цифровую форму и удобным для непосредственного использования в ГИС, среди которых особо выделим государственную статистику. Основное ее предназначениедать представление об изменениях в хозяйстве, составе населения, уровне его жизни, развитии культуры, наличии материальных резервов и их использовании, соотношении, а развитии различных отраслей хозяйства и др. Для получения государственной статистики на территории страны обычно используется единая методика ее сбора.

Для упорядочения всей совокупности данных государственной службой определены группы показателей по отраслям статистики. В качестве таких групп в нашей стране использовались отрасли статистики: промышленности; природных ресурсов и окружающей среды; технического прогресса; сельского 1Схозяйства и заготовок; капитального строительства; транспорта и связи; торговли; труда и заработной платы; населения, здравоохранения и социального обеспечения; народного образования, науки и культуры; бюджетов населения; жилищно-коммунального хозяйства и бытового обслуживания населения; материально-технического снабжения и переписей; финансов.

Каждая из отраслей характеризуется набором показателей. В качестве примера обратимся к статистике сельского хозяйства и заготовок. Так, статистика земледелия включает показатели, связанные с рациональным использованием и охраной земельных угодий, их мелиорацией и химизацией, подготовкой и проведением сельскохозяйственных работ, производством и распределением продукции земледелия, выявлением неиспользованных ресурсов производства, эффективностью и качеством работ в этой области сельского хозяйства. Широко используются показатели валового сбора сельскохозяйственных культур и их урожайности. Обширна статистика животноводства, кормов и заготовок сельскохозяйственных продуктов. Важна группа показателей основных фондов и производственных мощностей в сельском хозяйстве, а также в механизации и электрификации сельскохозяйственного производства. [13]

Статистика труда в сельском хозяйстве включает данные о численности, составе и движении рабочей силы; об использовании фонда рабочего времени, организации труда; об определении уровня и изучении динамики производительности труда, выявлении резервов повышения производительности труда; об анализе уровня и динамике заработной платы работников сельского хозяйства. Статистика себестоимости производства сельскохозяйственной продукции характеризует деятельность предприятий. Элементы производственных затрат составляют: оплата труда с начислениями, амортизация основных средств производства, затраты на текущий ремонт машин и зданий, расход семян, кормов, удобрений, ядохимикатов и др. В пределах других сфер (вне государственной статистики) сбор статистических данных в широком масштабе и регулярно не осуществляется. Широки возможности использования стационарных измерительно-наблюдательных сетей для получения, прежде всего, гидрологических и метеорологических данных, регулярный сбор и обработка которых имеет определенную историю. Так, метеорологические наблюдения включают синоптические характеристики у поверхности земли, показатели термобарического поля в свободной атмосфере (средние месячные значения давления, геопотенциала и температуры воздуха для уровня моря и основных изобарических поверхностей); данные актинометрических наблюдений (суммарная и отраженная радиация, радиационный баланс и т. д.); характеристики ветра в свободной атмосфере; нормы и аномалии средней месячной температуры воздуха; нормы месячных сумм осадков; месячные суммы осадков в процентах от нормы и еще многие другие показатели, исчисляемые несколькими десятками.

Гидрологические материалы содержат сведения о прошлом, настоящем и для некоторых элементов будущем состоянии рек, озер и водохранилищ. Данные собираются сетью из около 2000 опорных гидрометеорологических станций. Распространены и телеметрические станции, способные вести наблюдения и передавать данные в специальные центры без участия человека. Налажен автоматический сбор и хранение всего спектра данных — от срочных наблюдений до сводок за многолетние периоды — во Всесоюзном научно-исследовательском институте гидрометеорологической информации — Мирового центра данных (ВНИИГМИ-МЦД) в Обнинске (Калужская обл.), в Государственном гидрологическом институте (ГГИ) в СанктПетербурге. Для этих целей собираются сведения по всем водомерным и гидрометеорологическим постам, которые до 90-х годов публиковались в виде отдельных изданий.

В массив гидрологических наблюдений входят данные: о средних, высших и низших уровнях воды; о средних месячных расходах воды; о максимальных расходах воды и слоях стока за половодье и паводки; о ледовых явлениях на реках с устойчивым и неустойчивым ледоставом; о гранулометрическом составе взвешенных, влекомых и донных наносов; о средних месячных и декадных температурах воды по бассейнам; о дождевом паводковом стоке; о расходах взвешенных наносов и мутности воды, а также ряд других данных. 13]

Многообразны работы, проводимые для нужд океанологии. Сбор осуществляется в глобальном масштабе с использованием судов погоды, научно-исследовательских судов, плавмаяков, океано-графических буйковых станций и др. Состав наблюдаемых данных включает следующие гидрометеорологические характеристики: температуру и соленость воды в приземном слое океана (моря) и щ стандартных горизонтах (до глубины 500 м); направление, высот и период ветровых волн и зыби; скорость и направление течений] поверхностном слое и на некоторых горизонтах; скорость и правление ветра на установленной высоте; температуру воздуха; температуру точки росы; атмосферное давление; общую солнечную радиацию и др. В настоящее время собираемые данные группируются в Центре океанографических данных ВНИИГМИ-М1 где они обрабатываются, контролируются и накапливаются носителях информации, в частности на микрофильмах и магнитных лентах.

При проведении тех или иных исследований, например на стационарах, собираются сведения о характеристиках ландшафтов ил" при учете населения птиц, где применяются интересные методики сбора данных, но, как правило, они не координируются в государственном и тем более в глобальном масштабах. Зачастую об следования проводятся отдельными экспедициями и используются для частных научно-исследовательских работ.

Велико информационное значение справочных изданий по отдельным типам географических объектов. Кроме вышеупомянутых справочников Гидрометслужбы, Госкомстата и др., хорошим примером может быть 40-томный Каталог ледников СССР, аккумулировавший в себе разнообразные гляциологические данные, в последующем обобщенные в Атласе снежно-ледовых ресурсов мира.

Отличительная особенность текстовых материалов — отчетов экспедиций, статей, книг — состоит в том, что, имея большой фактический материал, они не всегда представлены в специально классифицированном виде и не обеспечивают точную пространственную локализацию данных. Это позволяет разделить их по: годности для информационного обеспечения географических исследований. Во-первых, это книги и статьи обычного типа, содержащие разнообразные сведения, рассредоточенные как в региональном, так и в тематическом плане. Упорядоченному использованию подобного типа данных помогает их библиографическая каталогизация, в частности региональные каталоги географических библиотек. Определенной тематической и региональной систематизации лавины вновь поступающих текстовых материалов способствует их прохождение через Реферативный журнал, издаваемый ВИНИТИ РАН, рубрики которого нацелены именно на системное информационное обеспечение исследований. [13]

Вторую группу составляют обобщающие тематические монографии по отдельным компонентам природы и хозяйства для крупных регионов (например, «Рельеф Земли», «Почвы мира» и др.) или комплексные географические работы (например, «Физико-географическое районирование СССР»). Близки к ним имеющие предметную и региональную направленность обобщающие глобальные и региональные географические работы, начиная от материков, океанов, крупных регионов мира (такие, как многотомное издание «География океанов», «Сохранение биоразнообразия» (2002) и др.) и заканчивая отдельными физико-географическими или экономико-географическими и политико-административными единицами «Малые реки Волжского бассейна» (под ред. Н.И. Алексеевского), «Геоэкология Прикаспия» (под ред. Н.С. Касимова) и др. В заключение необходимо отметить, что в ГИС редко используется только один вид данных. Чаще всего это сочетание разнообразных данных на какую-либо территорию

1.6 ГИС «Черное море»

В большинстве случаев ГИС создаются на основе обширных банков и баз данных цифровой информации, куда кроме картографических материалов включаются данные многолетних непосредственных наблюдений, статистические сведения, данные дистанционного зондирования. Примером может служить ГИС «Черное море», созданная на основе международного сотрудничества стран Черноморского бассейна. Этот бассейн с разнообразной морской жизнью, обильными рыбными ресурсами, теплыми песчаными пляжами и неповторимыми по красоте прибрежными пейзажами, привлекающими туристов, в последние десятилетия испытывает катастрофическое ухудшение экологической обстановки из-за возрастающей антропогенной нагрузки на все компоненты окружающей среды, что ведет к резкому сокращению рыбных ресурсов, снижению рекреационного потенциала, к деградации ценнейших прибрежных водно-болотных угодий.

Для централизованного принятия срочных мер по спасению Черного моря страны региона обратились за поддержкой в Глобальный фонд сохранения окружающей среды, основанный в 1991 году Всемирным банком в соответствии с Программой ООН по окружающей среде. В результате была сформирована и начала осуществляться трехлетняя Программа по спасению Черного моря — BSEP (Black Sea Environmental Programme), нацеленная на решение трех главных задач: 1) создание и укрепление региональных механизмов воздействия на экосистему Черного моря; 2) разработка и проведение политики и программы помощи, контроля и спасения окружающей среды; 3) привлечение инвестиций в экологические программ.

Координационная группа Программы, в состав которой вошли эксперты из каждой черноморской страны, уделила особое внимание формированию геоинформационной системы по природным ресурсам и состоянию среды Черноморского бассейна. Создание такой ГИС реализовано в МГУ на кафедре картографии и геоинформатики. Работа предусматривала сбор, обработку и увязку всех картографических материалов и результатов экспедиционных наблюдений, поступивших от стран-участниц, создание специализированного программного обеспечения для ввода и редактирования цифровых данных, составление электронных карт, моделирование и проведение исследований, связанных с формированием ресурсно-экологической ГИС «Черное море» .