Многоцелевая Национальная Геоинформационная система Республики Адыгея

В России каждый регион самостоятельно строит стратегию социально-экономического развития и территориальной организации. При этом в современных условиях возросли требования к быстроте и точности принятия стратегически важных решений в области жизнедеятельности территории на всех ее административных уровнях. Общепризнанным в мировой практике инструментом, обеспечивающим оперативность и результативность управления экономическими, социальными, экологическими и всеми другими аспектами деятельности субъекта являются автоматизированные геоинформационные системы или ГИС. ГИС-технологии позволяют создать единое оптимально организованное информационное пространство региона, дают возможность производить эффективный обмен информацией между ее держателями, оперативное интегрирование информации в научных и практических целях социально-экономического развития по иерархии административных единиц территории.

С позиций организации устойчивого развития региона важна оценка стратегических ресурсов социально-экономического развития: структуры природно-ресурсного потенциала, демографических и трудовых ресурсов, экологического состояния, экономики и экономических связей территориальной системы. Держателями перечисленных категорий информации в регионах являются отраслевые ведомства, административные образования, частные компании. В соответствие с современными требованиями многие из них разрабатывают или приобретают специализированные информационные системы. Специализированные системы приспособлены к решению конкретных задач и не обеспечивают возможности комплексного регионального анализа. В то время как для решения широкого спектра экономических, организационных, территориально-планировочных, демографических, экологических и иных вопросов с учетом многообразия взаимосвязанных региональных процессов неоценимое значение имеет принцип комплексности, роль которого усиливается в рыночных условиях хозяйствования и управления. Возможности адресного многовариантного анализа территориальных процессов расширяют компетентность местных органов управления, призванных в пределах предоставленных им прав решать все вопросы социального, экономического, демографического, экологического и политического развития территории. Эффективному обмену информацией между ее держателями в целях комплексного анализа препятствует разработка в регионе множества разнородных отраслевых баз данных. Связано это с информационной несовместимостью отраслевых ГИС вследствие различий в системах управления базами данных (СУБД), структурах данных, языках их описания. Кроме этого, возникают проблемы неэкономичного дублирования информации, сложности ее одновременного обновления, противоречивости сведений неизбежно возникающей в разных банках данных. Не вызывает сомнения необходимость разработки единого информационного банка данных региона, интегрирующего комплекс базовых сведений о местности и предоставляющего возможности решения разнообразных задач категориям пользователей, связанным с управлением территорией.

Таким образом, наиболее приемлемый путь геоинформационного обеспечения территориального развития состоит не в создании множества специализированных территориальных информационных систем, а в создании распределенных специализированных информационных баз данных держателей информации на единой геоинформационной платформе Территориального банка данных.

Эффективность функционирования территориальных социально-экономических систем определяется тем, насколько объективно оцениваются региональные условия и ресурсы, насколько адекватно пространственно-временное приспособление общественной системы природно-ресурсным условиям и насколько рационально их использование. Поэтому в процессе создания региональных ГИС первостепенное значение приобретает разработка географических (тематических) основ информационного построения сложных пространственно-временных объектов, предназначенных для реализации целей системы управления.

Пространственно-временной анализ позволяет выявить территориальное распределение объектов географического пространства, их устойчивые сочетания, районировать, строить и прогнозировать оптимальную модель территориальной организации региона. Система методов пространственно-временного анализа обеспечивает комплексную оценку статики, динамики и прогноза развития региона в виде его пространственно-временных моделей, отображаемых в картах. Карты создают пространственный образ региона, моделируют территориальную дифференциацию природной и социально-экономической компонент, особенности взаимодействия природы и общества.

Географические исследования сфокусированы на познание закономерностей пространственной организации природы и человеческой деятельности и районирование, т. е. выявление пространственных единиц однородных по показателям, лимитирующим социально-экономическое развитие, для формирования различных кадастров и мониторинга. Без этих знаний невозможно составить объективную картину окружающего мира и происходящих в нем процессов, проектировать траекторию регионального развития.

В задачи районирования входит выявление иерархии объектов географических компонентов и систем, определение их параметрических и описательных характеристик, формирующих комплекс базовых данных и Базу знаний региона. Традиционный отраслевой подход формирования баз общеестественных пространственных данных региона определяется компонентной структурой природно-хозяйственных систем. К природной составляющей относят геологическое строение, рельеф, климат, природные воды, почвы, биоту, ландшафты; к общественной — отрасли хозяйства, состояние экономики, населения и расселения и качества жизни населения. В каждой предметной области сложилась своя методология и государственные стандарты обработки и представления данных. ГИС служат действенным инструментом интеграции методов частных наук при проведении географических исследований, комплексируя их в системные модели с применением методов математики и информатики.

Разрабатываемая в ГИС-центре Адыгейского госуниверситета ГИС Республики Адыгея является многоцелевой. Это означает, что она является инструментом, обеспечивающим как геоинформационную поддержку исследований географических закономерностей организации природы и человеческой деятельности в республике, так и является банком территориальных данных для текущего управления и планирования стратегии социально-экономического развития.

Построение информационной модели территориальных данных Республики Адыгея, отображающей комплексную систему «природа — общество» основано на системном подходе с применением объектно-ориентированной технологии, использованием теоретических основ математики в области геометрического моделирования и нейронных сетей, методов эколого-географической классификации рельефа, климата, гидрографической сети, почв, растительности, ландшафтов, методов картографии.

В цели разработки входит:

• — организация фактологических пространственных данных, обеспечивающая накопление больших объемов информации и формализованные постановки прикладных задач;
• — создание электронной основы пространственных данных, приспособленной к задачам моделирования процессов в географическом пространстве;
• — разработка инструментальных средств, с возможностями гибкой модификации и поддержки распределенных баз данных с модульной структурой построения.

Применение объектно-ориентированной технологии придает системные свойства геоинформационной модели региона вследствие того, что объектно-ориентированная модель позволяет воссоздать естественную иерархию территориальных объектов и процессы взаимодействия между ними, обеспечивающие функционирование системы как единого целого. К существенным преимуществам метода объектно-ориентированного проектирования относятся и возможности: эволюционной, помодульной разработки системы; модификации в соответствие с развитием представлений в каждой предметной области; оптимального структурирования большого объема пространственных данных.

ГИС создается на платформе СУОРБД Oracle 9i. Банк данных, поддерживающий общую концепцию системы, предназначен для хранения информации, организации ее обработки и основывается на системе взаимосвязанных геоинформационных моделей данных подсистем, представленных иерархией пространственных объектов, относительно которых происходит — накопление/мониторинг тематической информации. Картографическая реализация результатов анализа координированных данных осуществляется средствами ArcGIS 9.1.

Ядром Территориального банка данных Адыгеи является информационный сервер, на платформе которого создаются банк полномасштабного ряда электронной картографической информации территории, банк базовых тематических данных по рельефу, гидрографии, почвам, климату, биоте, ландшафтами, общественно-хозяйственной сфере, и база знаний региона. Информационный сервер играет роль интегратора отраслевых ГИС на единой основе тематических и топографических материалов, что обеспечивает совместимость сведений, аккумулируемых в отраслевых базах данных. Основная задача такой платформы обеспечить эффективное взаимодействие между данными различных тематических блоков, комплексный совмещенный анализ, а также работу пользователей с данными в условиях разграниченного доступа.

Для банка картографической информации в ГИС-центре АГУ разработаны электронные карты Адыгеи и прилегающих территорий масштабов 1:200 000 и 1:50 000, традиционно используемых в региональном анализе, и комплект карт масштабов 1:25 000 и 1:10 000. Оцифровка произведена средствами Easy Trace7.3 и Easy Trace Pro v.8.X. Банк электронных карт создан в среде ArcGIS 9.1. В общей сложности оцифровано 69 листов карт в соответствие с принятыми ГОСТами.

Мощной цифровой основой для комплексирования и интегрирования тематической информации территории, разработки математических моделей процессов в географическом пространстве служит созданная в ГИС-центре АГУ цифровая модель местности (ЦММ) с улучшенными возможностями. ЦММ разработана на основе авторского метода сферической квадроангуляции, с применением объектно-ориентированного моделирования и нейронных сетей (Плисенко, 2005). В основе ее математическая модель рельефа, сгенерированная его структурными линиями, ограничивающими элементарные поверхности с однородными свойствами. Классификация таких поверхностей и структурных линий по их природно-экологическим свойствам (Ласточкин, 2003) позволяет выполнить детальное районирование территории по экологическим особенностям рельефа, строить адекватные математические модели перераспределения в рельефе природных и антропогенных вещественно-энергетических потоков. Базовым свойством модели, концептуальные основы которой предложены А. Н. Ласточкиным, состоят в органичном единстве структурных линий рельефа и гидрографической сети, что на основе разработанной ЦММ обеспечивает высокий уровень детальности и точности ландшафтно-гидрологического анализа и перерасчета параметров стока.

Векторная ЦММ дополняется растровой авторской моделью ЦММ (Пикин, 2005), разработанной на основе физической модели градиентного переноса. Эта модель перспективна для моделирования процессов переноса вещества и энергии в геодинамическом слое земной коры, по поверхности рельефа и в атмосфере. ЦММ корректно строит речные долины и показала хороший результат при прогнозировании ареалов затопления в период паводков, может быть использована для моделирования оползневых и селевых процессов.

Совмещенный анализ тематических карт и комплекса описанных математических моделей местности открывает новые возможности пространственно-временного анализа закономерностей организации географического пространства, мониторинга природно-экологических и антропогенных процессов.

Банк электронных тематических карт республики в масштабе 1:200 000, включающий все общепринятые картографические блоки, содержит около 200 карт. Из них 110 карт представлены в изданном в 2005 г. при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 02−05−78 041) Атласе Республики Адыгея (Атлас…, 2005).

Тематический блок в ГИС «Адыгея» содержит кроме общегеографических картографических материалов и данных результаты эколого-географического районирования: рельефа, климата, почв, ландшафтов, антропогенной нагрузки, состояния населения и расселения, качества жизни населения. Разрабатывается подсистема эколого-географического районирования гидрографической сети, лесной растительности.

В Адыгее, расположенной в горно-равнинных условиях, велика роль рельефа в формировании эколого-природных обстановок. Рельеф играет роль ведущего пространственно-дифференцирующего фактора географических региональных полей на всех уровнях их организации. Тектоническое поведение рельефа обусловливает сейсмическую безопасность территории и расположение объектов опасных экзогенных процессов. Экологическая оценка рельефа произведена по системе показателей, предложенных В. И. Кружалиным (2001).

В основе экологического районирования рельефа — блоковая структура земной коры. Иерархия тектонических блоков, контролирующих современный рельеф республики, выделена по системе индикационных показателей (Ранцман, Гласко, 2004) (табл. 1).

Таблица 1 — Индицирующие показатели подсистемы «Рельеф».

Ступени блоков разделены тектоническими разломами — линеаментами. Пересечение линеаментов образует тектонические узлы (морфоструктурные узлы). По системе индикационных показателей произведена оценка ранга морфоструктурных блоков, линеаментов и узлов, соответствующего их тектонической активности и, следовательно, сейсмической опасности. Наиболее сейсмически устойчивыми являются морфоструктурные блоки, наименее устойчивыми — морфоструктурные узлы. К морфоструктурным линеаментам приурочены опасные явления: оползни, обвалы, сели. Выполненное районирование дает детальные сведения по сейсмической безопасности инфраструктуры республики, позволяет исследовать закономерности распределения по территории опасных явлений и выполнить их обоснованное районирование.

Тектоническое районирование рельефа дополняется морфоклиматическим, которое позволяет обосновать пространственное распределение спектра экзогенных рельефообразующих процессов. Завершающим этапом эколого-географического районирования рельефа является выделение ареалов, отличающихся комплексом показателей, характеризующих крутизну, форму, протяженность, экспозицию склонов. Эти данные является определяющими при планировании работ различного рода строительных и сельскохозяйственных организаций.

Реализуемый комплекс методических подходов выявления иерархии объектов и формирования структуры базы данных по рельефу обеспечивает средствами ГИС:

• — определение пространственной локализации и комплексный анализ рельефообразующих процессов;
• — изучение взаимообусловленности и взаимовлияния рельефообразующих процессов;
• — прогноз развития рельефа;
• — определение системы элементарных поверхностей, отвечающих за перераспределение локальных, внутрифоновых и фоновых вариаций ландшафтоформирующих факторов;
• — построение формализованных моделей формирования и развития рельефа, перемещения вещества и энергии в области земной поверхности;
• — оценку сейсмической безопасности инфраструктуры;
• — экологическую оценку и районирование рельефа республики.

Климатическое районирование Северо-Западного Кавказа произведено в соответствии с масштабом пространственно дифференцирующей роли средоформирующих факторов на нескольких уровнях генерализации (табл. 2). Выделение системы пространственных объектов климатической системы произведено с учетом особенностей ландшафтов, модифицирующих параметры климата. Определена система показателей обусловливающих формирование пространственных единиц (объектов) климатической системы (табл. 3). Разработана функциональная схема Базы данных Модуля «Климат».

Таблица 2 — Ландшафтно-климатические районы.

Структура Базы данных подразделяется на две части. Первая часть является реляционной, предназначенной для Гидрометцентра республики (рис. 1). Сведения, содержащиеся в ней, являются собственностью соответствующего ведомства. В ней накапливаются ежедневные срочные данные по параметрам, измеряемым на метеорологических станциях. Эта часть Базы данных, в соответствие с задачами, решаемыми держателем информации, может быть дополнена пакетом процедур необходимых для требуемой обработки сведений. Например, пакет разрабатываемых статистических алгоритмов для получения аналитических характеристик, таких как:

— процедуры построения основных описательных статистик эмпирической выборки (минимумы, максимумы, среднее, дисперсия, стандартное отклонение, медиана, квантиль, квартиль, мода);

Таблица 3 — Структуроформирующие показатели подсистемы «Климат».

Рис. 1 — ER-диаграмма реляционной схемы БД по климату

• — процедуры построения функции распределения, определения асимметрии и эксцесса;
• — процедуры определения корреляции с помощью коэффициента парной корреляции и коэффициента корреляции Пирсона;
• — процедуры построения линейного и циклического трендов;
• — процедура построения эллипса размаха и т. д.

Рис. 2 — Фрагмент схемы классов, представляющих модель климата

рельеф климат картографический Вторая часть Базы данных модуля «Климат» ГИС «Адыгея» является объектно-реляционной и находится на информационном сервере. Она содержит иерархию выделенных объектов климатической системы территории. Схема классов объектов климатического блока приведена на рис. 2. Объекты, входящие в данную часть содержат структуроформирующие характеристики климатических объектов, согласно иерархическому принципу. Аналитические данные, используемые в объектах, могут быть получены как перерасчетом данных с использованием пакета статистических процедур, так и редактированием соответствующих объектов экспертом. Кроме аналитических сведений объектно-реляционная часть Базы данных содержит различные методы перерасчета метеорологических характеристик для любой точки местности, на основе разработанной инновационной ЦММ.

Аналогичная структура Баз данных формируется по всем модулям ГИС «Адыгея». Обмен информацией между держателями баз данных регламентируется соответствующими инструкциями и осуществляется при возникающей необходимости.

В соответствие с общей концепцией создаваемой интегрированной ГИС «Адыгеи» разрабатываемые инновационные решения оптимального структурирования и аналитической обработки всей полноты накопленных и продуцируемых пространственных данных обеспечивают:

• — формирование единого информационного поля республики;
• — мощный инструментарий пространственно-временного анализа для научно-практических разработок;
• — необходимую информацию управляющим органам для решения в области различных аспектов природопользования и сбалансированного развития республики.

• 1. Атлас Республики Адыгея. — М.: Изд-во ОАО ИПО «Лев Толстой», 2005. — 80 с.
• 2. Кружалин В. И. Экологическая геоморфология суши. — М.: Научный мир, 2001. — 176 с.
• 3. Ласточкин А. Н. Системно-морфологическое основание наук о Земле (Геотопология, структурная география и общая теория систем). — СПб.: Изд-во НИИХ СПбГУ, 2002. — 762 с.
• 4. Пикин С. Ф. Гравитационно-кинетическая модель рельефа // ИнтерКарто / ИнтерГИС 11: Устойчивое развитие территорий: Теория ГИС и практический опыт. — Ставрополь: Изд-во СГУ, 2005. — С. 228−231.
• 5. Плисенко О. А. Цифровая модель местности, как основа для вычислительных экспериментов в ГИС // ИнтерКарто / ИнтерГИС 11: Устойчивое развитие территорий: Теория ГИС и практический опыт. — Ставрополь: Изд-во СГУ, 2005. — С. 48−54.
• 6. Ранцман Е. Я., Гласко М. П. Морфоструктурные узлы — места экстремальных природных явлений. — М.: Медиа-Пресс, 2004. — 224 с.