Разработка методики геоинформационного обеспечения экологического мониторинга объектов инвестиционно-строительных проектов

Улучшение окружающей природной среды, повышение качества жизни, сохранение здоровья населения и демографической ситуации является стратегической целью государственной политики в области экологии. В первую очередь, это относится к взаимоотношению человека с окружающей его городской средой обитания. Имеющиеся данные говорят о том, что заболевания в городах происходят в среднем в два раза выше, чем в сельской местности. Это связано с короткими сроками адаптации человека к новым условиям обитания. Место человека в городе, влияние окружающей среды на его здоровье и условия существования, выходят на первый план развития человеческой цивилизации.

Особенно остро данная проблема проявляется при реализации экологических программ развития городских территорий. Это связано с двумя определяющими факторами: резким увеличением численности городского населения и, связанного с этим, ухудшением их экологической обстановки. В настоящее время численность городского населения достигла уровня 2.5 млрд. человек, что составляет 45% всего населения всего земного шара. В промышленно развитых странах эти цифры уже сегодня достигли предельных величин 80−90% (Австрии -75%, Японии -76%, США -80%, Швеции — 83%, Германии -90%, в Российской Федерации -75%). Отличительной особенностью городов является замена круговорота веществ, присущего существующим экосистемам, прямоточным техногенным процессам, приводящим к накоплению отходов и загрязнению. Это является основополагающей причиной проявляющихся аномальных явлений, что нарушает городскую среду обитания.

Наиболее ярко перечисленные явления проявляются в больших городских мегаполисах, где число жителей превышает 1 млн. человек. Их число с 1950 по 1990 года увеличилось в Африке практически в 20 раз, в Латинской Америке в 7 раз, в Азии в 6 раз, в Европе в 2 раза, а в Северной Америке 2.5 раза. Данное обстоятельство приводит к необходимости резкого увеличения внимания к проблеме экологического управления такими территориями.

Общая площадь урбанизированных территорий к 2007 году прогнозируется 19 л млн. км, что составит 12.8% всей территории суши. Предполагается, что к 2030 году все население земного шара будет жить в городах или поселках городского типа. Однако такой подход ведет к отрыву человека от природной среды и приводит к нарушению естественных экосистем, а также условий существования в рамках этих систем самого человека. Эти нарушения связаны с изменением его социальных и биологических условий существования, то есть социальной и природной сред индустриально-городских экосистем.

Существенное увеличение городских территорий требует постоянного совершенствования систем управления, что неразрывно связано с учетом динамики изменения условий обитания. Отличительной чертой современного подхода управления территориями является его привязка к конкретным инвестиционным проектам, осуществляемым при строительстве новых и реконструкции существующих объектов. Отличительной особенностью развития мегаполисов является использование всех свободных земельных участков, а так как участков благоприятных для проведения строительных работ практически не осталось, то расширение городских районов происходит на участках повышенной природной и техногенной опасности.

Перечисленные особенности рассматриваемого подхода к реализации планов развития городских территорий в полной мере нашли свое отражение в нормативных документах, регламентирующих проведение инженерных изысканий для строительства, планировки и застройки городских территорий. Такой подход требует качественно новых решений задач, обеспечивающих реализацию всего комплекса работ на различных этапах инвестиционного проекта. В первую очередь, это относится к работам, выполняемым в ходе разработки перспективных планов развития территорий, а также проведения инженерных изысканий для целей строительства. Реализация этих работ включает: зонирование территорий по назначениюинженерно-геодезические изысканияинженерно-геологические изысканияинженерно-гидрометеорологические изысканияинженерно-экологические изысканияизыскания грунтовых строительных материаловизыскания источников водоснабжения на базе подземных вод.

В настоящее время при изучении городских территорий на первое место выдвигаются экологические факторы и условия, отражающие территориальные особенности и закономерности развития городской среды. При этом ставится задача не только констатации напряженности экологической обстановки, обеспечения безопасных условий проживания на застраиваемых территориях, но и разработки комплекса превентивных мероприятий направленных на минимизацию природных и техногенных негативных воздействий.

Решение данной проблемы возможно лишь на основе широкого использования геоинформационного обеспечения, которое лежит в основе рационального ведения народного хозяйства, охраны и мониторинга окружающей среды, выработки управляющих правил оптимального природопользования. В настоящее время рассмотрение этих вопросов сосредоточено вокруг разработки географических информационных систем (ГИС).

Широкое распространение ГИС получили при решении экологических задач. В 1990 году был разработан и принят в эксплуатацию «Глобальный ресурсный банк данных» (GRID). Он предназначен для использования в интересах международной службы, занимающейся анализом данных по окружающей среде, и создан в рамках Программы ООН по окружающей среде в качестве составного компонента «Глобальной системы мониторинга окружающей среды». Аналогичный по своему значению является «Проект глобальной базы данных», осуществляемый в рамках Международной геосферно-биосферной программы «Глобальные изменения».

Аналогичные работы по созданию ГИС как федерального, так и регионального значения проводятся в Российской Федерации. К настоящему времени в России проводятся работы по созданию ГИС «Атлас устойчивого развития России». Уже созданы и функционируют ряд региональных ГИС Новосибирской области, городов Перми, Обнинска, Санкт-Петербурга. Отдельные элементы городской ГИС разработаны в г. Москве.

Успешное выполнение этих работ на всех этапах реализации инвестиционного проектирования возможно лишь при наличии полного информационного обеспечения, основополагающим звеном которого является геоинформационное обеспечение.

Именно геоинформационное обеспечение интегрирует всю информацию, относящуюся к конкретным территориям. Данный вид информации лежит в основе подготовки практически всего спектра управляющих решений, связанных с развитием городских территорий. Создание геоинформационного обеспечения возможно на базе использования технологий, ориентированных на решение всего спектра задач в рамках специализированных геоинформационных систем.

В основе создания геоинформационного обеспечения лежат технологии мониторинга, обеспечивающие получение всего спектра информации об интересующих территориях. Основной целью мониторинга является информационное обеспечение процедур принятия решения в области управления территории, оценки рисков реализации инвестиционных проектов, а также контроль за текущим состоянием наблюдаемых территорий. В основе решения данных задач лежит использование системы экологического мониторинга городских территорий, ориентированной на оценку состояния окружающей среды на всех этапах реализации инвестиционного проекта. Она должна обеспечивать качественную и количественную оценку состояния природной среды на основе автоматизированного сбора, анализа и обработки разноплановой статистической, картографической, аэрокосмической информации с целью выявления, оценки и прогноза негативного воздействия природных и техногенных факторов на условия устойчивого развития территорий. Успешное решение данного класса задач возможно посредством проведения экологического мониторинга в рамках специализированной геоинформационной системы.

Современные геоинформационные технологии изучения и анализа природных объектов на основе использования архивных данных, а также космических изображений высокого разрешения, не нашли должного отражения в существующих методических документах, регламентирующих проведение мониторинга городских территорий. Существующие недостатки в проведении мониторинга при инженерно-экологических изысканиях не позволяют осуществлять интегральную оценку влияния большинства негативных факторов на окружающую среду.

Следует также подчеркнуть, что в современных нормативных документах отмечено, что результаты проводимого мониторинга должны быть включены в единую информационную систему (банк данных или базу данных геоинформационной системы).

Вот почему актуальной и приоритетной является задача разработки научно обоснованной методики геоинформационного обеспечения экологического мониторинга городских территорий, обеспечивающей решение задач оценки состояния и охраны окружающей среды с использованием геоинформационных технологий.

Объектом исследования диссертационной работы является геоэкология городских территорий, подверженная негативному техногенному воздействию объектов при их строительстве и эксплуатации.

Предметом исследования являются задачи геоинформационного обеспечения экологического мониторинга объектов строительства при реализации инвестиционных проектов устойчивого развития городских территорий на основе информационных технологий.

Целью диссертационной работы является разработка методики геоинформационного обеспечения экологического мониторинга объектов строительства городских территорий при реализации инвестиционных проектов.

Для достижения поставленной цели исследований в диссертационной работе необходимо: выполнить анализ методов и средств экологического мониторинга городских территорийоценить задачи геоинформационного обеспечения экологического мониторинга объектов строительства городских территорийразработать требования к геоинформационному обеспечению системы экологического мониторинга городских территорийразработать методику создания системы геоинформационного обеспечения экологического мониторингаразработать структуру построения и содержание экологических паспортов городских территорийразработать геоинформационную систему экологической паспортизации городских территорийразработать технологию создания экологических паспортов городских территорийвыполнить экспериментальную апробацию методики геоинформационного обеспечения системы экологического мониторинга объектов строительства.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненные автором при решении рассматриваемых задач, изложены в четырех главах диссертации.

В первой главе определяются цели и задачи инвестиционного проектирования. Показывается место задач экологического мониторинга городских территорий в задачах обеспечения устойчивого развития территорий на различных стадиях инвестиционных проектов. Дается классификация правил зонирования городских территорий. Выполняется анализ методов и средств экологического мониторинга с точки зрения решения задач инвестиционного проектирования.

Формулируются задачи геоинформационного обеспечения системы экологического мониторинга на различных этапах реализации инвестиционных проектов. Отмечаются недостатки существующей системы экологического мониторинга, связанные с отсутствием методических рекомендаций по хранению получаемых данных в информационных банках данных и базах данных геоинформационных систем.

Определяются требования к организации геоинформационного обеспечения системы экологического мониторинга. Приводится структурная функциональная схема построения системы геоинформационного обеспечения. Определяются требования к функциональным модулям системы.

Во второй главе разработана методика системы геоинформационного обеспечения экологического мониторинга на основе экологической паспортизации городских территорий, выполнено обоснование требований к содержанию экологических паспортов городских территорий, а также объектов строительства. Разработаны технологии формирования экологических паспортов городских территорий и объектов строительства с учетом их использования при реализации инвестиционных проектов. Разработаны технологии оценки негативного воздействия природных и техногенных риск-факторов на основе экологических паспортов. Определено место методов аэрокосмического дистанционного зондирования в системе экологического мониторинга территорий.

В третьей главе выполнена разработка методики создания электронного экологического атласа, обеспечивающего практическую реализацию экологической паспортизации городских территорий. Рассматривается структура электронного экологического атласа. Приводятся математические методы реализации технологических процессов и операций, лежащие в основе решения функциональных задач. Описывается методика разработки информационного обеспечения, реализованного в «Электронном Экологическом Атласе «(ЭЭА). Рассматривается методика метрологического обеспечения задач привязки геопространственной информации, представленной на растровых цифровых графических изображениях.

В четвертой главе приведено описание экспериментальной апробации разработанной методики. Выполнено обоснование параметров получения цифровых изображений для целей формирования «Электронного экологического атласа». Приведены примеры построения экологических паспортов городских территорий и объектов строительства на реальных проектах. Приведен пример локального экологического мониторинга объекта строительства. Выполнена оценка эффективности предложенной методики геоинформационного обеспечения на основе разработки «Электронного экологического атласа».

В заключении подводятся итоги выполненных исследований и приводятся основные области применения разработанной методики геоинформационного обеспечения, даются рекомендации по совершенствованию содержания проектной документации посредством включения в них предложенных экологических паспортов городских территорий и объектов строительства.

Выводы по четвертой главе:

1. Результаты экспериментальной апробации методики системы экологического мониторинга показали: для получения цифровых растровых изображений для целей паспортизации городских территорий целесообразно выполнять сканирование изображений с апертурой сканирования 600 dpiцифровые изображения целесообразно сохранять в формате «.JPEG». электронный экологический атлас обеспечивает реализацию технологических процессов создания электронных технологических паспортов;

2. Проверка методики системы геоинформационного обеспечения показала: разработанная методика паспортизации территориальных образований позволяет создавать видеостраницы паспортов города, округа и района, что существенно повышает полноту и качество разработки предпроектной документацииразработанная методика паспортизации территориальных объектов позволяет выделить участки негативного воздействия риск-факторов и локализовать местоположение точек наблюдения локального мониторинга на этапе проведения проектных работ, что снижает погрешности бюджетирования стоимости работ с 15−20% до 5−7%;

3. Разработанный подход использования в качестве основы растровых изображений позволяет от 5- 10 раз сократить стоимость создания Электронного Экологического Атласа по сравнению с изображениями в векторных форматах, а также унифицировать выполнение функциональной обработки графических растровых изображений для целей создания видеостраниц экологических паспортов.

4. Разработанная система геоинформационного обеспечения позволяет в 2−3 раза сократить время на поиск и анализ информации, а также повысить детализацию оценки характеристик объектов земной поверхности на этапе проведения предпроектных и проектных работ за счет использования оперативных материалов аэрокосмического зондирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Результатом выполненных в диссертационной работе исследований явилась методика геоинформационного обеспечения экологического мониторинга. Она позволила существенно повысить полноту анализа исходной информации при разработке предпро-ектной и проектной стадий разработки градостроительной документации.

Существующие в настоящее время методы и средства мониторинга объектового состава получают дифференцированную информацию, которая используется для составления ежегодного доклада оценки состояния окружающей среды в городе, а также анализа экологической ситуации на отдельных предприятиях. Наряду с этим, отсутствуют стандарты описания экологического состояния как городских территориальных образований в целом, так и всего спектра функциональных объектов городских территорий.

Результатом решения перечисленных задач явился переход к использованию экологических геоинформационных систем, обеспечивающих прием информации от отдельных систем мониторинга и хранения ее в виде стандартизованных, хронологически структурированных данных. Для экологической паспортизации территориальных образований предложена методика, основу которой составили методы аэрокосмического дистанционного зондирования, картографического мониторинга, систем наземного городского мониторинга, а также анализ исторических архивных карт.

Для оценки негативного воздействия природных риск-факторов предложена методика оценки стоимости рисков проявления опасных факторов на основе использования вероятностных оценок их проявления.

Для экологической паспортизации территориальных объектов предложена методика, основу которой составили методы локального экологического мониторинга.

Предложенная структура построения системы геоинформационного обеспечения была реализована посредством разработанных методик паспортизации городских территорий и объектов строительства, базирующихся на сочетании архивных картографических и фотограмметрических документов, а также оперативных систем дистанционного зондирования и локального экологического мониторинга.

Для экологической паспортизации территориальных образований предложена методика, основу которой составили методы аэрокосмического дистанционного зондирования, картографического мониторинга, систем наземного городского мониторинга, а также анализ исторических архивных карт.

Инструментальной поддержкой предложенной методики паспортизации городских территорий служит, разработанный в ходе проведения диссертационных исследований, макет «Электронного экологического атласа». Его использование позволяет: осуществлять ввод, хранение, визуализацию и выдачу потребителям образцов экологических паспортов на уровне городских, окружных и районных территориальных образованийосуществлять ввод, хранение, визуализацию и выдачу потребителям образцов экологических паспортов строящихся и эксплуатируемых объектов.

Проверка методики системы геоинформационного обеспечения показала: разработанная методика паспортизации территориальных образований позволяет создавать видеостраницы паспортов города, округа и района, что существенно повышает полноту и качество разработки предпроектной документацииразработанная методика паспортизации территориальных объектов позволяет выделить участки негативного воздействия риск-факторов и локализовать местоположение точек наблюдения локального мониторинга на этапе проведения проектных работ, что снижает погрешности бюджетирования стоимости работ с 15−20% до 5−7%;

Разработанный подход использования в качестве основы растровых изображений позволяет от 5- 10 раз сократить стоимость создания Электронного Экологического Атласа по сравнению с изображениями в векторных форматах, а также унифицировать выполнение функциональной обработки графических растровых изображений для целей создания видеостраниц экологических паспортов.

Разработанная система геоинформационного обеспечения позволяет в 2−3 раза сократить время на поиск и анализ информации, а также повысить детализацию оценки характеристик объектов земной поверхности на этапе проведения предпроектных и проектных работ за счет использования оперативных материалов аэрокосмического зондирования.