Базовое хранилище цифровой картографической информации о состоянии географической среды регионов Сибири и сопредельных территорий разрабатывается для справочно-информационного обеспечения региональных программ геоэкологического анализа, дающего представление о природных возможностях территории и о перспективах ее рационального использования. Задачи, касающиеся выработки стратегии освоения природной среды крупных регионов и географического прогноза его последствий, требуют создания специализированных электронных ландшафтных карт комплексного геосистемного содержания. При этом большая роль отводится не только ландшафтным картам общенаучного, но и прикладного экологического содержания. В этом плане цифровое ландшафтное картографирование предоставляет возможность построения систем географических знаний о природной среде в виде электронных тематических модулей – программно-целевых блоков геоинформационных систем, созданных на единой (инвариантной) территориальной основе, каждый выдел которой представляет собой ячейку сосредоточения самой разнообразной географической информации по региону, обеспечивая ее сопряженность и сопоставимость [1].
Мелкомасштабное электронное ландшафтное картографирование Байкальского региона является, на наш взгляд, целесообразным и актуальным для информационного обеспечения межгосударственного, регионального или подчиненного ему местного административного управления экологически сбалансированным развитием единой территориальной системы. Несмотря на достаточно высокую степень изученности закономерностей природной среды этого региона, по-прежнему ощущается дефицит специализированной цифровой информации, обусловленный не столько недостатком первичных данных о территории, сколько трудностями их сопоставления и анализа [2]. Разрабатываемый блок информации рассматривается как базисный: он определяет системные отношения компонентов природной среды и является основой исследования пространственно-временной организации геосистем регионального порядка, их устойчивости, изменчивости, использования и охраны.
Целью работы было создание теоретико-методических основ структурирования, модификации и интеграции географической информации в единый ландшафтно-картографический цифровой модуль, обеспечивающий возможность автоматизированного анализа и интерпретации специального содержания всех его тематических слоев с целью создания электронных карт геосистемного геоэкологического содержания как оперативного инструмента информационной поддержки управления территориями.
Материалы и методы исследования
Исходную научную основу работы составляют картографические материалы, созданные сотрудниками Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН и Института географии и геоэкологии АН Монголии, которые посредством совокупности географических методов переводятся в конструктивную форму реализации практических задач геоэкологической оценки использования и охраны природной среды. По своей сути, ландшафтно-картографический модуль цифровой информации, тематические слои которого объединены общим программно-целевым замыслом и созданы на основе единой геосистемной классификации, являются систематизированным целостным произведением и сохраняют все свойства серий традиционных ландшафтных карт.
В теоретико-методологическом плане специфика данной работы заключается в дальнейшем развитии программно-целевого комплексного геоэкологического картографирования, как основного варианта территориального синтеза междисциплинарной географической информации о природной среде и ее использовании. Объектом исследования в данном случае выступают геосистемы (геоэкосистемы), или геоэкологические пространства, которые представляются «как системное единство среды обитания, среды жизнедеятельности и среды жизнеобеспечения человека в самом широком смысле слова» [3, с. 5]. Подобное полисистемное содержание исследуемого объекта отличается от таковых в покомпонентных исследованиях природной среды.
Важным этапом в комплексной программе цифрового картографирования является подготовка объективной и доступной информации об объекте исследования в соединении природных, экологических и природоохранных компонентов. В этом плане программа создания ландшафтно-картографического модуля цифровой информации Байкальского региона отражает собой многоступенчатую систему подходов к решению проблемы и включает: 1 – сбор информации; 2 – инвентаризацию существующей географической ситуации; 3 – ее оценку; 4 – прогноз изменения ситуации в результате внешнего воздействия; 5 – разработку рекомендаций по охране окружающей среды (табл. 1).
Таблица 1
Проект ландшафтно-картографического модуля цифровой информации
|
Концепция создания ландшафтно-картографического модуля: Геосистемная геоэкологическая |
|||||||
|
Цель: Информационное обеспечение регионального геоэкологического анализа |
Задачи: Разработка концепции, структуры и содержания карт тематического модуля |
||||||
|
Уровни картографирования: Региональный |
|||||||
|
Объект исследования: Геосистема – среда |
Научный подход: Конструктивный |
||||||
|
Этапы и шаги исследования |
|||||||
|
Разработка инвентаризационной ландшафтной карты геоэкологического содержания |
|||||||
|
Процедуры и методы |
Фондовые материалы |
||||||
|
Формирование банка данных. Выбор и декомпозиция общенаучной ландшафтной карты. Масштабная интеграция и редукция информации. Создание специализированной классификации геосистем и легенды карты. Создание базовой карты геосистем геоэкологического содержания и ее электронной версии |
Инвентаризация. Геосистемный анализ. Классификация. Структурно-функциональная модификация информации |
Ландшафты (Атлас …, 2004), Эколого-ландшафтно-геохимическое районирование (Атлас …, 2004), Ландшафты бассейна оз. Байкал (Батуев, Лопаткин, 2008), Природные ландшафты Байкальского региона и их использование (Кузнецова и др., 2009), серии карт «Ландшафтная среда бассейна оз. Байкал» (Экологический …, 2015), Растительность, Ландшафты, Природное районирование, Климатическое районирование, Агроклиматические ресурсы (Национальный атлас…, 1990) |
|||||
|
Разработка интерпретационных оценочных карт |
|||||||
|
Процедуры и методы |
Производные оценочные карты |
||||||
|
Разработка оценочных критериев экологических условий и состояния геосистем. Разработка геосистемных признаков-индикаторов устойчивости, чувствительности, экологического потенциала геосистем |
Территориальный анализ Геосистемная индикация Обобщение, пространственная группировка и комплексирование информации Целевое зонирование территории |
Биологическая продуктивность растительности геосистем. Саморегулирование геосистем. Устойчивость геосистем. Чувствительность геосистем. Экологические функции геосистем. Надежность и безопасность функционирования. Экологический потенциал геосистем. Экологически благоприятные режимы использования |
|||||
|
Разработка производных прогнозных карт |
|||||||
|
Процедуры и методы |
Производные прогнозные карты |
||||||
|
Масштабная редукция информации. Разработка вариативных моделей геосистем на разных этапах использования |
Пространственно-временная модификация, вариативный и инвариантный анализ информации |
Изменчивость, возможные изменения геосистем и природные экологические риски |
|||||
|
Разработка карт поддержки принятия решений |
|||||||
|
Процедуры и методы |
Производные рекомендательные карты |
||||||
|
Разработка основных направлений действий и приоритетных мероприятий по использованию и охране геосистем в соответствии с регламентом функциональных и экологических зон |
Логико-ситуационный анализ |
Рекомендуемые режимы природопользования. Приоритетные природоохранные мероприятия. Возможные реакции на предлагаемый набор мероприятий |
|||||
Решение поставленных задач основывается на многоаспектном и многоуровневом геосистемном анализе природной среды исследуемого региона и последующем переводе полученной информации в индикационные геоэкологические зависимости посредством использования разработанных заранее геосистемных признаков-индикаторов состояния и условий природной среды [2]. Карты оценочного, прогнозного и рекомендательного содержания разрабатываются на основе данных иерархического, регионально-типологического, динамического, функционального и ценностного геосистемного анализа с использованием совокупности методов информационного картографического мониторинга: анализа, синтеза, сравнения, оценки, умозаключения, прогнозирования [4].
В целях успешной практической реализации проекта по созданию тематических модулей цифровой информации был определен ряд основных требований к программному обеспечению: 1 – программный пакет должен быть популярным и доступным, что обеспечивает широкий круг потребителей конечной продукции; 2 – конечный программный продукт должен учитывать целый комплекс возможностей потребителя (приспособленность к любым существующим персональным компьютерам, приобретение его должно быть, с одной стороны, экономически реальным, а с другой, выгодным, должен обеспечивать вывод данных в любой, удобной для потребителя форме и др.); 3 – обеспечивать своевременное обновление базы данных [5].
Выбор программного обеспечения определялся стоимостью как самого программного обеспечения, так и его технического обслуживания, а также квалификацией и навыками сотрудников. Программное обеспечение работает в среде Microsoft Windows (Windows 9х, Windows-NT). Создание цифрового модуля программного обеспечения планируется с использованием комплекта продукции MapInfo Corporation, включающего MapInfo Professional v.5.0 и MapBasic v.4.1 (язык программирования), представляющий один из стандартов настольных систем, а также ArcView v.3x фирмы ESRI, который является вторым стандартом настольных систем.
Результаты исследования и их обсуждение
Определены основные этапы практического создания ландшафтно-картографического модуля цифровой информации Байкальского региона: 1 – сбор информации и формирование базы тематических данных для разработки содержания ландшафтно-картографического модуля; 2 – создание единой базовой территориальной картографической основы и системы производных интерпретационных пространственных тематических слоев геосистемного геоэкологического содержания; 3 – оцифровка базовой карты и тематических слоев информационно-картографического модуля; 4 – создание проектов в среде ArcView (или рабочих наборов в MapInfo Professional); 5 – компоновка карт ландшафтно-картографического модуля с учетом общей программы создания базового хранилища цифровой картографической информации о состоянии географической среды регионов Сибири и сопредельных территорий.
Целостность тематических слоев ландшафтно-картографического модуля обеспечивали следующие требования к материалу: 1 – целесообразный выбор и ограничение числа используемых проекций и масштабов карт; 2 – простые соотношения или кратность масштабов карт; общность географических основ карт; 3 – согласованность легенд различных карт в отношении показателей и детальности; 4 – единство установок генерализации для всех карт; 5 – взаимосвязанность способов изображения; 6 – приуроченность содержания разных карт к определенным датам; 7 – учет взаимосвязей между явлениями, изображаемыми на разных картах [1].
В процессе исследования разработана структура ландшафтно-картографического модуля цифровой информации Байкальского региона. Его базисом является единая территориальная картографическая основа, которая создается с использованием общенаучной ландшафтной карты, разработанной на геосистемных принципах академика В.Б. Сочавы [6, с. 48]. Ее легенда является неизбежно громоздкой и изобилует специальной терминологией. Далее на основе базовой карты посредством многоступенчатого анализа множества геосистемных характеристик, последующей модификации и интерпретации тематических данных создается система производных карт экологического содержания (рисунок).
Фрагмент производной интерпретационной территориальной картографической основы Байкальского региона. (Подписи к рисунку в табл. 2). Электронная версия фрагмента карты выполнена к.г.н. Д.А. Лопаткиным
Качественная экологическая оценка условий, состояния и возможного изменения природной среды Байкальского региона проводилась с использованием признаков-индикаторов, разработанных на основе концепции о стабилизирующей динамике геосистем. Согласно этой концепции, «при естественном стремлении геосистем к изменению структуры в процессе самоорганизации всегда существует стабилизирующее их начало, способствующее сохранению структуры геосистем во времени, несмотря на многочисленные воздействия… Саморегулирование геосистем наиболее действенно в оптимальных условиях тепла и влаги» [7, с. 72]. Для этого использовалась следующая схема:
1) исследуется структура и организация геосистем определенной размерности,
2) устанавливается их функциональный тип, гидротермические характеристики местоположений, биологическая продуктивность растительности,
3) определяется относительная степень саморегулирования геосистем,
4) проводится качественная оценка устойчивости / чувствительности, экологического потенциала геосистем,
5) устанавливаются экологические и хозяйственные функции геосистем и характер воздействия,
6) разрабатываются оптимальные режимы использования геосистем (табл. 2).
Таблица 2
Система тематических данных геосистемного экологического содержания
|
Ландшафтные структуры. Интенсивность саморегулирования |
Биологическая продуктивность |
Экологический потенциал |
Чувствительность |
Функции и режимы |
|
Наиболее неблагоприятные, риск I категории |
||||
|
1. Гольцовые и подгольцовые минимальной интенсивности саморегулирования |
Очень низкая |
Очень низкий |
Очень высокая |
1, а * |
|
Неблагоприятные, риск II категории |
||||
|
2. Горнотаежные и таежные редуцированной интенсивности саморегулирования |
Низкая |
Низкий |
Высокая |
2, а, б, в, г, ** |
|
Средние, риск III категории |
||||
|
3. Горнотаежные и таежные ограниченной интенсивности саморегулирования |
Средняя |
Средний |
Средняя |
3, а, б, в, г, *** |
|
Благоприятные, риск IV категории |
||||
|
4. Горнотаежные и подтаежные оптимальной интенсивности саморегулирования |
Высокая |
Высокий |
Низкая |
3, а, б, в, г, **** |
|
Наиболее благоприятные, риск V категории |
||||
|
5. Лесостепные, лугово-степные наиболее оптимальной интенсивности саморегулирования |
Очень высокая |
Очень высокий |
Очень низкая |
3, б, в, г ***** |
Примечание. Ландшафтно-экологические функции: 1 – средоформирующая, 2 – средостабилизирующая, 3 – средозащитная. Хозяйственные функции: а – лесохозяйственные и рекреационные, б – сельскохозяйственные, в – селитебные, г – промышленные. Режимы использования: * – строго защитный, ** – защитный, *** – защитно-эксплуатационный, **** – эксплуатационно-защитный, ***** – эксплуатационный с выделением природоохранных зон.
Каждый этап исследования геосистем завершается созданием определенного класса электронных карт геосистемного геоэкологического содержания: констатационных, или инвентаризационных; оценочных; прогнозных; рекомендательных (табл. 1). Инвентаризационные карты, созданные на основе теории геосистем и методологии конструктивного подхода, усовершенствованных соответственно задачам мелкомасштабного электронного картографирования, отображают, с одной стороны, текущее состояние геосистем, как природных объектов, а с другой, комплекс условий, определяющих или лимитирующих особенности жизнедеятельности людей. На базе данных констатационной карты разрабатываются производные интерпретационные карты оценочного, прогнозного и рекомендательного содержания.
В качестве примера приводится производная классификация, которая упрощается в результате формализации посредством группировки геосистем по сходству основных классификационных признаков (табл. 2). Представленные на карте (рисунок) обобщенные подразделения геосистем являются результатом интеграции геомов как близких по материально-энергетическому обмену, структурным и динамическим особенностям, а также биологической продуктивности растительного компонента структур. Относительная оценка интенсивности саморегулирования геосистем определялась на основе характеристик «интегральной интенсивности функционирования геосистем, отражающей в том числе относительную биологическую продуктивность растительности» [6, с. 69].
Экологический потенциал (ЭП) является интегральной характеристикой условий природной среды, индицирующей в том числе степень ее комфортности для жизнедеятельности человека как биологического вида. В качестве индикаторов ЭП использованы гидротермические характеристики местоположений геосистем, биологическая продуктивность, чувствительность геосистем к внешнему воздействию.
В зависимости от значений интегральной интенсивности функционирования (редуцированного, ограниченного, оптимального развития) определялась интенсивность саморегулирования и относительные показатели устойчивости (инерционной, резистентной, адаптивной) геосистем. Характеристики ландшафтно-экологических и хозяйственных функций геосистем были получены из ранее опубликованных фондовых источников (табл. 1) посредством редукции картографической информации.
Заключение
Разработана структура системного по методологии, геоэкологического по содержанию и геоинформационного по технологии картографирования Байкальского региона, которая позволит представить систему географических знаний о природной среде в виде модуля цифровой картографической информации как единой системы картографического обеспечения в рамках единого геоинформационного пространства. Основным свойством цифрового модуля будет обеспечение автоматизированного сопряженного пространственного-временного анализа структуры, условий и состояния природной среды Байкальского региона, а также прогнозирование возможного их изменения. Существующая перспектива постоянно дополнять и обновлять базу тематических данных будет способствовать превращению его в оперативный инструмент информационной поддержки управления крупными территориями.
Исследование выполнено в рамках тем Плана НИР Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН «Геоинформационное картографирование и математическое моделирование географической среды в условиях глобализации и воздействия на природные и социально-экономические процессы в Сибири и на сопредельных территориях» (№ 0347-2016-0004).