Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Назначение информационно-картографической системы

Исследование выполнено в лаборатории картографии, геоинформатики и дистанционных методов Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН в рамках электронного атласа бассейна озера Байкал. Оно направлено на решение фундаментальной проблемы, касающейся повышения качества информационной базы для целей управления крупными регионами.

Новейшие ГИС-технологии и развитие в географии информационно-системного подхода, ориентированного на изучение природы и общества как единых геоинформационных систем, увеличили роль картографии как науки, обладающей специфическим логико-методологическим аппаратом структурирования географической информации в целостные программно-целевые информационно-картографические системы для совместного анализа, синтеза, оценки и географического прогнозирования.

В связи с этим была поставлена задача – разработать методические основы создания историко-географической информационно-картографической системы (ИКС) геоэкологического содержания. Целостная система электронных сопряженных современных и историко-географических карт и структурированных междисциплинарных данных, отображающих различные стадии процессов изменения природной среды во взаимосвязи с освоением региона, может использоваться для определения территорий, подвергшихся различным антропогенным воздействиям на протяжении нескольких тысячелетий. На основе этой информации возможно выделение территорий, на которых совпадение особенностей многолетних антропогенных воздействий с тенденциями эволюции природной среды предопределило ухудшение современной ситуации. На практике эти данные могут быть использованы при разработке рекомендуемых режимов природопользования и мероприятий, обеспечивающих естественный ход восстановления природной среды.

Данное исследование обеспечивается наличием в ИГ СО РАН обширной базы данных, современной материально-технической базы, разработанностью фундаментальных теоретико-методических основ геосистемного картографирования и отображения пространственно-временных изменений структуры взаимодействия общества с природной средой.

Концепция создания ИКС

Известно, что вершиной интеграционного подхода в географии является учение о геосистемах, хотя сам термин «геосистема» изначально трактовался как понятие, не выходящее за пределы физической географии. В.Б. Сочава считал, что в результате объединения природы, населения и хозяйства получится чрезвычайно сложная, перегруженная показателями полисистема, фактически бесполезная как для природоведения, так и для экономической географии. Вместе с этим сформировались концепции, в которых геосистема выступает сразу в качестве двоякого отношения – как естественного, так и общественного: об «антропогенных и культурных ландшафтах», «антропогеосистемах», «экономических ландшафтах и интегральных ландшафтах», природно-антропогенных геосистемах (ПАГ)», «эколого-экономических системах».

Объект современной географии представляется как исследование цепочек взаимных связей и взаимообусловленности явлений материального мира земной поверхности, начиная с ландшафтов и их положения в системе глобальных координат и кончая системами формирования культуры, этносоциальных черт и даже духовного облика различных общностей людей [5], что обусловливает объединение в ИКС данных смежных дисциплин, характеризующих физические, энергетические, информационные отличия исследуемого объекта, определяющие его генезис, структуру и динамику.

Фактор времени, касающийся длительных и кратковременных изменений во взаимодействии общества с постоянно изменяющейся природной средой, всегда присутствует в историко-географических исследованиях, где для каждой категории размерности геосистем выделяются характерные закономерности и только им присущие концепции, учитывающие генезис и иерархичность геосистем. На этом основании в географии получили свое развитие концепции: «эколого-культурное районирование» [4], «геосистемный мониторинг» [11], «эколого-культурный мониторинг» [12].

В нашем случае для обобщения многочисленных географических данных о развитии крупных регионов наиболее приемлемой является концепция о «геоэкологических ситуациях» [10, 12]. Под геоэкологической ситуацией понимается длительновременное состояние природных геосистем как комплекса условий, обеспечивающих и лимитирующих жизнедеятельность человека на конкретной территории. Стремление к познанию причин формирования современных геоэкологических ситуаций и прогнозу дальнейшего развития, а не просто территориальных особенностей распределения диктует необходимость их картографирования в различных временных срезах. Требуются историко-географические карты, отражающие региональную структуру природных геосистем на разных этапах развития, характер их использования и антропогенного воздействия, природные ограничения видов жизнедеятельности человека и потенциальные возможности.

Геоинформационный мониторинг выступает как самостоятельное направление интеграции географической информации в единые программно-целевые информационно-картографические системы, как некий способ объединения природной и антропогенной сторон реальной действительности. Создание комплексной историко-географической ИКС представляет собой соединение традиционного картографического и геоинформационного принципов организации разновременной междисциплинарной географической информации [8, 13]. Это подразумевает сочетание методов информатики в организации баз данных по тематическим и пространственным направлениям с картографическими методами их анализа, построения изображения, его преобразований в целях представления и получения новых знаний об объекте и предмете картографирования. Исследование географической информации проводится посредством многоступенчатого сопряженного анализа природных и антропогенных факторов формирования геоэкологических ситуаций на основе принципов «геосистемного картографического мониторинга» [11] и «геосистемного эколого-культурного мониторинга» [4, 8].

Объектами геоинформационного мониторинга будут выступать геосистемы как продукт синтеза времени и пространства, олицетворяемый в неповторимом целостном облике взаимосвязанных элементов, которые реагируют на воздействие внешних факторов, в том числе деятельность человека в зависимости от своей организации. Геосистемы будут рассматриваться как особый класс управляющих систем, которые формируются и развиваются в пространстве и времени как единое, взаимообусловленное целое, где связи между природными и антропогенными факторами осуществляются через их общую принадлежность вышестоящей системе. На основе этой методологии станет возможным целенаправленный поиск, сбор и интерпретация данных, обеспечивающих всестороннюю характеристику современного состояния и возможных преобразований геосистем. В результате все данные, полученные в процессе многопланового изучения географических объектов, будут обобщаться на единой основе.

Геосистемный подход геоинформационного мониторинга обеспечивает: учет структуры, состава, динамики и эволюции природной, хозяйственной, демографической составляющих окружающей среды; анализ временных (исторических) характеристик изучаемых объектов, процессов и явлений в системе «природа – общество – производство»; выявление и исследование причинно-следственных отношений в геосистеме и ее отдельных блоках.

Геоинформационный геосистемный мониторинг дает возможность предоставления результатов мониторинга в форме картографических и цифровых моделей. Информационно-картографический мониторинг проводится по группам наблюдений:

а) ретроспективные, выявляющие хронологию развития геосистем;

б) инвентаризационные и реинвентаризационные, показывающие их начальное состояние и многолетние итоговые изменения;

в) режимные периодические наблюдения.

Важным блоком в ИКС является ретроспективный блок – пополнения знаний о прошлом для решения задачи управления и прогноза, в том числе с ожидаемыми последствиями. Создание этого блока связано с синтезом разнотипных данных, например классификационной модели современной геосистемы, представленной в виде иерархии типов ее частей, и динамической модели ключевого для нее элемента в единую систему. Данный синтез производится на основе анализа и взаимоувязывания показателей. Тем самым становится возможным отразить, как однородные части геосистемы расчленяются на разнородные, расширяющие классификационные построения, что в свою очередь поможет определить особенности развития и вклад тех или иных факторов в интеграцию геосистем.

Структура инвентаризационного блока в информационно-картографическом мониторинге способствует принятию решений по стабилизации экологической обстановки путем увязывания территориально-ориентированных информационных потоков, характеризующих ее развитие: структура развития производства, структура населения и его социальные характеристики, состояние окружающей среды и природных ресурсов, комплексность осуществления охранных мероприятий, направленных на ресурсосбережение, сохранение и восстановление геосистем.

Блок режимных наблюдений связан с перспективами расширения спектра проблем, обусловленных изменением самого предмета исследования, когда территория со сбалансированным развитием становится важнейшим экономическим ресурсом будущего – территорией «нового освоения». Это, в свою очередь, требует выработки новых подходов и методов анализа и принятия решений, в том числе и на альтернативной основе. Все это сопряжено с увеличением объема информации и расширением знаний о том, что действительно происходит на данной территории и концептуализацией полученных новых фактов для разработки и совершенствования эффективной системы информационно-картографического мониторинга и обеспечения управления территорией в самом широком смысле.

Согласование информации. Тематическое согласование данных о соотношении естественных и антропогенных факторов в эволюции геосистем и формировании современных геоэкологических ситуаций проводится на основе данных мониторинговых исследований. Основными этапами исследования являются:

1) анализ хронологии историко-географического процесса развития природных геосистем,

2) анализ природных и антропогенных факторов поэтапного формирования состояния геосистем,

3) разработка принципов классификации геосистем,

4) разработка содержания и программы создания единой ИКС бассейна оз. Байкал.

Создание ИКС предполагает разработку:

1) хронологической шкалы картографирования, которая была опубликована ранее [7], хроноструктуры ИКС и содержания системы хронологических таблиц,

2) системы классификации геосистем,

3) тематической структуры ИКС,

4) содержания базовой картографической основы,

5) содержания тематических слоев ИКС.

Для проведения мониторинга в качестве исходных принимаются три основных предположения. Первое из них допускает существование в пределах исследуемых геосистем регионального иерархического уровня некоторой территориальной целостности геоэкологических условий на всех этапах развития и становления современной зональной и высотно-поясной структуры. Согласно второму предположению, общий характер распределения значений основных геоэкологических параметров в разные геологические эпохи был аналогичен современному значению. В связи с этим на основе установленных связей между современными геосистемными структурами и экологическими факторами их формирования и при обеспеченности данными о характере их изменений в разные периоды антропогена возможно создание ретроспективных и прогнозных карт геоэкологического содержания. Третье предположение касается исследования использования геосистем, характера и степени антропогенных воздействий и их последствий. Известно, что в каждый исторический период взаимодействие человека и природы, а также влияние общества на природу определялось геоэкологическими условиями территории, характером ее заселения и освоения, уровнем развития производства, этническими особенностями народов, некогда заселявших регион [5]. В связи с этим последнее предположение заключается в том, что на более ранних этапах развития общества (доиндустриальный период) в сходных геоэкологических условиях формировались одинаковые хозяйственно-культурные типы (ХКТ), как результат исторического развития человечества в конкретных географических условиях [1, 2].

Хроноструктура мониторинга. Для упорядочения во времени множества различных состояний геосистем разрабатывается хронологическая шкала картографирования. Она показывает геохронологические этапы – последовательность и соподчинённость развития земной коры и органического мира, историко-археологические – развития материальной культуры, историко-географические – развития исторических ландшафтов, историко-этнографические – развития хозяйственно-культурных типов [6, 7].

Прогностическое значение в исследовании эволюции геосистем имеют особенности изменения климата. Наибольшие их изменения связаны с циклами оледенения, межледниковья, внутримежледниковыми и внутривековыми ритмами [3]. Для бассейна оз. Байкал они совпадают со следующими фазами формирования палеоклимата: 39–40 тыс. л.н. – малохетское потепление, 26–28 тыс. л.н. – фаза климатического оптимума межледниковья, 11–12 тыс. л.н. – начало улучшения климата после сартанского похолоданья, 7–8 тыс. л.н. – дальнейшее потепление в бореальный климатический период, 5–6 тыс. л.н. – фаза климатического оптимума голоцена (атлантический климатический период), 2–4 тыс. л.н. – ксерофитизация климата в суббореальный климатический период, 2–1,5 тыс. л.н. в субатлантический климатический период – начало ухудшения климата, XVI–XIX вв. – «малая ледниковая эпоха», XIX–XXI вв. – относительное потепление климата [2].

Степень и характер антропогенного воздействия на природные геосистемы определяются посредством анализа продолжительности и характера использования территории, существующих способов производства, этнических особенностей населения. Естественно, что для разных историко-географических образований региона интервалы каждого периода значительно отличаются. Обобщая историко-географический материал по региону, можно выделить следующие хронологические периоды развития процесса природопользования:

1) природопотребление:

а) узколокальное минимальное воздействие присваивающего хозяйства при полном приспособлении к природной среде (35–15 тыс. л.н.);

б) минимальное воздействие в условиях полукочевого образа жизни при занятии охотой, рыбной ловлей, собирательством (пожоги, незначительные изменения видов, являющихся объектом охоты и собирательства) (15–5 тыс. л. н.);

2) доиндустриальное природопользование:

в) скотоводство с локальным проявлением антропогенных модификаций геосистем (3–2 тыс. л. н.);

г) скотоводство с элементами земледелия и ремесел со значительным увеличением площади антропогенных модификаций геосистем, локального проявления антропогенного фактора в эволюции геосистем (1 тыс. л. н.),

д) подсечное земледелие с использованием тягловой силы животных со значительным расширением площади производных антропогенных ландшафтов (XVII–XIX вв.);

3) индустриальное природопользование:

е) интенсивное промышленное освоение с максимальным преобразованием природы, появлением антропогенных геосистем крупного ранга и повсеместным распространением производных антропогенных ландшафтов (XIX–XXI вв.).

Для наиболее значительных в историческом прошлом региона периодов развития геоэкологических ситуаций создаются ретроспективные геоэкологические карты. При этом следует отметить, что для более ранних этапов количество и достоверность информации минимальные. По мере углубления в прошлое приходится восстанавливать картину по косвенным данным, опираясь на наиболее общие закономерности развития.

Хронологические таблицы. Вне всякого сомнения, что лучше всего, если данные ретроспективного исследования находят выражение в наборе историко-географических карт, каждая из которых отображает геосистемы определенного среза времени. Но, как показывает опыт, имеющиеся картографические, статистические, текстовые материалы дают ограниченные возможности для картографирования наиболее ранних этапов историко-эволюционного развития геосистем. В этом случае целесообразно отразить необходимые сведения в хронологической таблице (табл. 1).

Таблица 1

Основные классификационные признаки геосистем

Основными признаками классификации геосистем в разные периоды исследования (хронотипов) могут выступать сходство и различие их природных режимов, характеристики продуктивности, особенности хозяйственного использования, а также характер антропогенного воздействия, предполагаемые изменения и их относительная оценка.

Тематическая структура информационно-картографической системы

Своеобразной мерой согласования междисциплинарной географической информации является разработка тематической структуры ИКС природопользования. Через внутреннее единство своих тематических слоев она обеспечивает свойства, характерные для всех картографических систем: целостность, наглядность, проблемную ориентированность, практическую ценность.

Основной принцип создания ИКС – отражение в определенной хронологической последовательности историко-эволюционного процесса формирования современного состояния геосистем бассейна оз. Байкал. Каждая карта ИКС выполняет определенную структурно-функциональную роль (табл. 2). В процессе согласования системы карт создаются базовые, индикационные, интерпретационные, производные и независимые карты.

Таблица 2

Тематическая структура ИКС

В качестве базовой основы для согласования информации используется модифицированная общенаучная ландшафтная карта [9, 12]. На ее основе создаются интерпретационные и производные карты, жестко согласованные с ней. Кроме этого, в состав ИКС входят хронологические таблицы и наиболее информативные ранее созданные исторические карты. Они имеют индикационное значение для исследования процесса взаимодействия общества и природы и формирования геосистем. Это независимые карты, они могут быть графически и содержательно не связаны с другими картами.

ИКС бассейна оз. Байкал будет представлять собой блок согласованных электронных карт геоэкологического содержания, объединенных общим замыслом и созданных на основе научной концепции историко-географического картографирования. Кроме этого, в ее состав будут включены ранее созданные картографические произведения и структурированные в виде таблиц междисциплинарные историко-географические данные.

Многочисленность объектов исследования, их разнокачественность и многоуровенность диктуют необходимость историко-географического картографирования на разных территориально-иерархических уровнях. Региональный уровень предполагает создание блока цифровых карт территории бассейна оз. Байкал в масштабе 1:5 000 000 – 1:7 000 000. Районный уровень будет представлен в масштабе 1:1 000 000 – 1:200 000 набором карт для наиболее освоенных в историческом плане территорий. Локальный уровень картографирования предполагается для районов «нового» освоения в масштабах 1:100 000 – 1:25 000.

Основной методологический принцип создания ИКС состоит в признании глубокой системной зависимости развития геоэкологических ситуаций бассейна озера Байкал от эволюционного изменения природных геосистем под воздействием глобальных изменений климата, а также от характера и степени антропогенного воздействия. Исследуются историко-генетические ряды геоэкологических ситуаций, крайние звенья которых – современные, ныне существующие геоэкологические ситуации, с одной стороны, и восстановленные исторические – с другой [6, 8, 10].

Особенности геоэкологических ситуаций бассейна озера Байкал определяются:

1) своеобразием развития природных геосистем,

2) историей заселения и традициями природопользования,

3) характером и степенью антропогенного воздействия.

Объектами системного картографирования выступают геосистемы разных периодов времени, которые рассматриваются как пространственно-временные природные образования разного генезиса и иерархического уровня, характеризующиеся определенным, детерминированным совокупностью территориальных условий и факторов, типом природопользования и характером антропогенного воздействия [1, 4]. Состояние геосистем, характер использования и антропогенного воздействия на них определяют геоэкологическую ситуацию на каждом этапе историко-эволюционного развития исследуемого региона.

Базовая ландшафтная карта. На первом этапе исследования посредством модификации общенаучной ландшафтной карты юга Восточной Сибири масштаба 1:1 500 000 [9] разрабатывается базовая ландшафтная карта. Исходный масштаб карты уменьшается до необходимого значения (1:5 000 000) и проводится картографическая генерализация путем перехода от таксономических единиц ландшафтной классификации низшего ранга к более высоким единицам. Каждый ландшафтный контур объединяет территории, близкие по материально-энергетическому обмену, структурным и динамическим особенностям, биологической продуктивности, гидроклиматическим условиям, что свидетельствует об однородности комплекса природных условий и о возможности единых способов их использования.

Интерпретационная геоэкологическая карта. На основе модифицированной ландшафтной карты с использованием данных различных ранее изданных тематических карт и карт атласов разрабатывается интерпретационная геоэкологическая карта. Ее основное назначение заключается в том, чтобы показать экологический потенциал современных природных геосистем как комплекса условий, обеспечивающих и лимитирующих жизнедеятельность человека на конкретной территории. Картографируется не только ландшафт сам по себе как природное явление, но и характер использования, а также мера адекватности его освоения исходным природным предпосылкам. При этом геоэкологическая нагрузка карты сводится к трем позициям: структурному содержанию геосистем, элементам антропогенной нагрузки, характеристике экологического состояния природной среды.

Карты геоэкологического зонирования. На основе комплексной геоэкологической карты посредством геоэкологического комплексирования информации осуществляется геоэкологическое зонирование территории бассейна оз. Байкал. На основе функционально-ценностного подхода устанавливается экологический и хозяйственный потенциал территории. Выделяются территории по экологическим функциям геосистем (средоформирующие, средозащитные и пр.), по степени эксплуатации и заселения территории, по рекомендуемым режимам природопользования. Таким образом, тематическая нагрузка карт геоэкологического зонирования отражает три относительно самостоятельные, но тесно взаимосвязанные составляющие геосистем:

1) ландшафтно-экологическую,

2) эколого-производственно-техническую,

3) эколого-социальную.

Первая характеризует ландшафтно-экологический потенциал исследуемой территории. Вторая – преобразующую деятельность человека, направленную на обеспечение населения необходимыми природными благами. Третья сторона отражает специфические отношения, складывающиеся между людьми и окружающей средой, направленные на сохранение природы.

Ретроспективные карты. Для каждого периода времени в разработанной хронологической последовательности создается историко-географическая карта. Картированию подлежат историко-генетические ряды геосистем, отражающие их вероятную смену во времени. Карты жестко согласуются с базовой картой и между собой. При их создании огромную роль приобретает глубина интерпретации междисциплинарной разновременной информации, зависящая от квалификации составителя. Это делает каждую карту индивидуальной. Согласование карт проводится посредством соблюдения единых принципов построения классификаций и типологий карт, контурной увязки взаимосвязанных или идентичных объектов картографирования, содержательного и терминологического соответствия легенд.

Производные карты. Картографический анализ разновременных реконструкций ландшафтов позволит создать комплексную историко-географическую карту, отображающую особенности и закономерности процесса развития геосистем в определенной хронологической последовательности. Жестко согласованные историко-географические тематические карты обеспечат эколого-культурное районирование исследуемой территории. Оно рассматривается как процесс вычленения объективно формирующихся и функционирующих природных географических образований, характеризующихся детерминированным совокупностью территориальных условий и факторов способом природопользования. Операционные единицы такого типа районирования концентрируют сведения об общих природных, социально-экономических условиях территории и отражают реакцию геосистем на однотипное антропогенное воздействие.

Выделение индивидуальных эколого-культурных районов основывается на анализе территориальной дифференциации типов геосистем с учётом того, что направленность их развития в известной мере определяется конкретной природной и социально-экономической средой. Территориальной дифференциации соответствует набор районообразующих факторов как по вертикали (по иерархическим уровням), так и по горизонтали (в пространственном аспекте). Эколого-культурное районирование распадается на ряд этапов: предварительное вычленение природно-антропогенных образований, эколого-культурная параметризация территории, позволяющая скорректировать сетку районов в соответствии с особенностями эколого-культурной обстановки.

Индикационные карты. Они имеют большое значение в исследовании историко-эволюционного процесса развития ландшафтов. Комплексная топонимическая карта отражает миграционные процессы, языковую принадлежность народов, некогда заселявших регион, этнические особенности хозяйства и культуры. Исследование топонимов предполагает:

1) изучение массовоповторяющихся элементов топонимики,

2) сравнительный анализ топонимической системы различных территорий;

3) анализ связей этнических миграций населения с особенностями топонимики;

4) анализ топонимов, отражающих историко-эволюционный процесс взаимодействия общества и природы.

Ландшафтно-археологическая карта отражает основные особенности динамики освоения и использования территории, сложившиеся в течение длительного исторического периода и вместе с этим характеризует особенности воздействия человека на окружающий ландшафт в разные отрезки времени. Историко-этнографические и археологические материалы позволяют исследовать вопросы развития земледелия и размещения земельных угодий, границы распространения скотоводства и виды ремёсел. При этом рассматриваются вопросы преемственности в природопользовании, исторические традиции, возникновение и развитие прогрессивных его форм, нарушающих прошлый экономический уклад и оказывающих влияние на формирование современного культурного ландшафта. Карта Истории заселения и освоения территории имеет большое индикационное значение при изучении проблем размещения коренного населения, этнического природопользования и сохранения его форм на исследуемой территории.

Отдельную группу представляют ранее изданные историко-географические карты из разных источников (независимые карты). Они имеют индикационное значение в исследовании формирования современного облика ландшафтов бассейна оз. Байкал.

Заключение

Разработанная на основе комплексных мониторинговых палеогеографических и историко-географических исследований информационно-картографическая система бассейна оз. Байкал сможет обеспечить информацией все звенья анализа соотношения естественных и антропогенных факторов в эволюции ландшафтов и формировании современных геоэкологических ситуаций. Анализ и интерпретация заложенной в ней информации открывают перспективы для различных теоретических обобщений и географических прогнозов в области природопользования. Кроме научной ценности информационно-картографическая система будет иметь практическое значение. Ее содержание ориентировано на использование материалов при разработке геоэкологических приоритетов и нормативов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Всероссийской общественной организации «Русское географическое общество» по договору 172014 / РГО – РФФИ от 13 июля 2015 г. и проекта РФФИ № 16-05-00902.