ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИС ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ОВОС

Общие положения

Географические информационные системы (ГИС) получили ши­рокое распространение с развитием компьютерных технологий. В це­лом ГИС — это информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение про­странственно координированных данных. Проблемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней задачами (научными и прикладными). Среди них инвентаризация ресурсов, анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений.

Таким образом, оценку воздействия на окружающую среду мож­но считать одной из областей проблемной ориентации ГИС. Возмож­ности, которые представляют ГИС технологии при проведении ОВОС, дают основу для более оперативного, обоснованного и рационально­го планирования размещения объектов ОВОС. При использовании ГИС значительно возрастают возможности обработки больших массивов информации, что необходимо при комплексном системном подходе к реализации ОВОС. Важной составляющей ГИС является возмож­ность статистического анализа и моделирования различных процес­сов, что необходимо при проведении ОВОС.

Однако применение ГИС при проведении ОВОС часто ограничи­вается электронной картографией, т.е. цифрованием готовых бумаж­ных авторских оригиналов. Зачастую отсутствует интеграция (оверлей) с помощью ГИС различных источников пространственной информа­ции для создания новых карт. Слабо используются инструменты моде­лирования. В большинстве организаций, занятых экологическим со­провождением проектов, даже при использовании ГИС их возможно­сти реализуются на 30—40%. Это во многом связано с отсутствием в этих организациях специалистов-природоведов (ландшафтоведов, почвоведов, геологов, лесоведов, ботаников) и работой с ГИС спе­циалистов физико-математических наук или геодезистов. Наряду с этим современные программные средства ГИС развиваются по пути упро­щения пользовательского интерфейса и ориентированы в основном на специалистов природоведов, не требуя глубоких знаний програм­мирования. Поэтому необходимо более широкое и полное использование ГИС для решения экологических задач.

В настоящее время существует большое количество ГИС. Крите­риями выбора конкретной ГИС могут служить многофункциональ­ность, удобство интерфейса, интегрируемость, доступность стоимости. Рассмотрим некоторые аспекты использования ГИС при проведении ОВОС.

По территориальному охвату ГИС, используемые при проведении ОВОС, можно отнести к региональным и локальным, или местным. Обычно они охватывают территорию площадью от 50 до 2000 км² и создаются в масштабе от 1:25 000 и крупнее до 1:200 000.

Для построения любой ГИС можно выделить следующие этапы по­лучения и обработки данных: сбор первичных данных, ввод и хранение данных, анализ данных, анализ сценариев и принятие решений*.

Сбор первичных данных заключается в подборе из имеющейся информации по территории, необходимой для целей ОВОС. Исходя из структуры и функционирования проектируемого хозяйственного объекта и общих физико-географических и социально-экономичес­ких характеристик территории, выделяются основные факторы их вза­имного влияния. На основе выделения этих общих факторов прово­дится подбор необходимой информации для создания ГИС поддерж­ки ОВОС. На этом этапе оценивается полнота имеющейся информации, ее актуальность, возможность применения в рамках ГИС.

Ввод и хранение данных в целом сводится к преобразованию бу­мажных картографических носителей в цифровой формат (векториза­ция), преобразованию аэро- и космических снимков на бумажных носителях в цифровой формат (сканирование), структуризацией и приведением к единому стандарту данных полевых обследований и литературной, фондовой и архивной информации в единую базу дан­ных с пространственной привязкой. Вся пространственная информа­ция приводится к единой картографической проекции. В случае созда­ния ГИС для целей ОВОС предпочтительными являются проекции Гаусса—Крюгера или UTM в узкой зоне.

Анализ данных включает поиск и выборку данных, статистичес­кий анализ, моделирование, автоматизированное создание карт, экс­пертное оценивание.

Анализ сценариев и принятие решений включает рассмотрение различных вариантов размещения хозяйственных объектов с учетом экономической и экологической составляющих, рассмотрение воз­можных сценариев аварийных ситуаций.

Источники информации

Основные источники информации для ГИС при проведении ОВОС:

• картографическая информация на основе имеющихся топо­графических и тематических карт;
• дистанционная аэро- и космическая информация (ДЦЗ);
• информация полевых обследований с инструментальной про­странственной привязкой;
• литературная, фондовая и архивная информация;
• информация по проектной документации.

Исходная картографическая информациядолжна отражать совре­менное состояние окружающей среды и включать топографические карты, карты природных компонентов, ландшафтов и хозяйственно­го использования. Топографические карты являются наиболее доступ­ными для использования. Из них может быть получена информация о рельефе, гидрографии, населенных пунктах, транспортной сети и других хозяйственных объектах территории. Однако при этом следует учитывать, что топокарты отражают информацию 20-летней и более давности и требуют уточнения.

Информация о рельефе территории (горизонтали, высотные от­метки, урезы воды) используется для построения цифровых моделей рельефа (ЦМР). ЦМР — основа для построения различных производ­ных карт (углов наклона, горизонтальных и вертикальных кривизн, экспозиций, бассейнов и др.) и используется при имитационном моделировании процессов и создании ландшафтной карты (при ее отсутствии). Построение ЦМР производится по оцифрованным с топокарты данным о рельефе территории в векторном формате с обра­зованием регулярной матрицы высот (растра) и/или нерегулярной треугольной сети (ТШ) в векторном формате. На основе растра высот и производных характеристик возможно осуществление автоматичес­кой классификации рельефа на типологические поверхности со сход­ными параметрами высот, углов наклона, кривизн и др.

При классификации рельефа могут использоваться различные алгоритмы. Выбор оптимальной классификации проводится статисти­ческими методами. При этом предпочтительней выбор классифика­ции с отсутствием искажений рельефа, возникающих при построе­нии его растра. Результаты классификации используются для состав­ления ландшафтной карты. На основе анализа растра рельефа и ДДЗ возможно выделение линиментных структур как зон потенциального риска для хозяйственного использования, а также экологических коридоров и узлов как территорий, требующих повышенной охраны и имеющих повышенный природоохранный статус. Также на основе информации о рельефе возможен расчет различных индексов (разнообразия, фрагментации и др.), позволяющих оценить ценность территорий с экологической точки зрения. Для составления карт эрозионной опасности, геохимических миграций, трехмерных моделей рельефа и других моделей используется векторное представление рельефа в виде треугольной сети.

Таким образом, рельеф территории является одним из основных источников информации, используемой в ГИС для ОВОС.При использовании информации о рельефе территории следует учитывать, что для равнинных территорий с малыми уклонами масштаб исходной топокарты должен быть примерно в два раза крупнее, чем получае­мое карты в процессе построения растра рельефа и его производных.. Это связано с недостаточным количеством информации о рельефе территории для поверхностей с малыми уклонами и возникающими в результате ошибками аппроксимации.

С топографических карт помимо информации о рельефе извлека­ются сведения о населенных пунктах и транспортной сети. Информа­ция о населенных пунктах необходима для учета риска воздействия на них планируемого объекта и оценки степени риска для населения при возникновении аварийных ситуаций. Информация о транспортной сети используется при оценке доступности проектируемого объекта и оценке необходимости создания новых транспортных путей. Информация о населенных пунктах и особенно транспортной сети перед использова­нием требует уточнения с использованием дистанционной информа­ции и полевых обследований.

Тематические карты, используемые при создании ГИС для ОВОС, обычно включают геологическую карту, почвенную карту, карту растительности (карты лесной инвентаризации). Наряду с ними, в зави­симости от характера территории и проектируемого объекта, могут привлекаться геокриологические карты, мезоклиматические карты, карты земельных ресурсов, геоморфологические карты и др. Для ис­пользования информации этих карт при анализе в среде ГИС необхо­дим перевод их в векторный формат представления данных.

Легенды тематических карт формализуются для введения их в об­щую базу данных. Однако применение большинства тематических карт при проведении ОВОС ограничено их масштабом, который редко бывает крупнее 1:200 000. В результате содержащаяся в них информа­ция используется более на качественном уровне при составлении ланд­шафтной карты для выделения ПТК ранга сложных урочищ и местнос­тей. Карты лесной инвентаризации обычно имеют масштаб 1:25000— 1:50 000, но их применение ограничено зачастую низким качеством составления. Карта земельных ресурсов (земельный кадастр) используется для представления существующего на момент проектирования землепользования и учета при проектировании площадей с особым статусом охраны.

Очень важным источником информации для ГИС являются дан­ные дистанционного зондирования (ДДЗ): аэроснимки и космичес­кие снимки высокого разрешения. ДДЗ используются при состаааении карт растительности, наземного покрова, ландшафтных карт, а также при уточнении и обновлении информации, содержащейся на топог­рафических и тематических картах. На основе многоканальных ДДЗ проводится расчет индексов, отражающих различные характеристики структуры наземного покрова (EVI, NDVI, Fragmentation Index, ин­декс разнообразия и др.). По ДДЗ дешифрируются и линиментные структуры, учет которых как зон потенциального риска хозяйствен­ного использования важен при проведении ОВОС.

Данные многомаршрутной аэрофотосъемки содержат материалы масштабов 1:10 000-1:15 000. Таким образом, это один из самых круп­номасштабных источников информации. Однако их применение ог­раничено панхроматическим характером изображения, большим количеством снимков, каждый из которых требует географической привязки, геометрической и оптической коррекции. Поэтому использование АФС обычно ограничивается небольшими участками, на ко­торых прогнозируется максимальное воздействие проектируемого объекта и для которых необходима наиболее крупномасштабная ин­формация.

Космические снимкивысокого разрешения, в отличие от АФС, имеют большой пространственный охват (от 100 х 100 км² и более), геометрическую и оптическую коррекцию, географическую привяз­ку, наличие нескольких каналов съемки. Все это делает использова­ние космических снимков предпочтительным перед использованием АФС. В настоящее время космическая съемка высокого разрешения проводится несколькими съемочными системами.

При выборе снимков между различными съемочными системами следует учитывать не только их разрешение и количество каналов, но и число снимков на одну и ту же территорию. Большое число сним­ков позволяет провести их выбор с наименьшей облачностью для нужного сезона года, а при необходимости и за разные сезоны. Также возможно проводить исследование динамики наземного покрова при сравнении снимков за разные годы. В целом для большинства терри­торий наиболее информативными являются весенние (апрель-май) и осенние (сентябрь—октябрь) снимки. Наибольшее число снимков в свободном доступе с большим количеством спектральных каналов съемки предоставляют спутники Landsat и SРОТ.

Основное применение ДДЗ в рамках ОВОС — составление на их основе среднемасштабных (1:50 000-1:200 000) карт наземного по­крова, растительности, ландшафтов и др., которые отражают современное состояние территории и используются для составления производных оценочных карт.

Для составления этих карт ДДЗ классифицируются. Алгоритмы классификаций реализованы во многих статистических (Statistica, SPSS, SYSTAT и др.) и ГИС программных пакетах (ArcInfo, ErdasImagine, Idrisi и др.). Использование различных алгоритмов класcификации дает значительно различающиеся результаты. Поэтому выбор оптимальной классификации должен осуществляется как на он 1С количественных статистических, так и экспертных качествен­ных показателей. В результате процедуры классификации выделяются тми изображения со сходной яркостью и структурой. При исходном разрешении космических снимков 20-30 м могут быть получены типы и изображения, соответствующие рангу урочищ (1:50 000-1:100 000). Далее полученные типы изображения сопоставляются с данными, полученными с тематических карт (геологической, геоморфологи­ческой, почвенной, лесной инвентаризации, землепользования) и в процессе полевых обследований. Сопоставление данных с типами и изображения проводится средствами статистического анализа, реализованного во многих ГИС пакетах, или с помощью специализированных статистических программных пакетов.

Таким образом, на основе яркостных и структурных характеристик и с привлечением информации об отдельных природных компо­нентах и полевых данных проводится насыщение полученных при классификации типов изображения смысловым (семантическим) содержанием. Эта информация используется как при составлении ланд­шафтной карты, так и для составления ряда компонентных карт. В результате могут быть получены карты растительности (на уровне фор­маций), карты типов наземного покрова (land cover map), карты антропогенной трансформации наземного покрова и др.

При проведении ОВОС ландшафтная карта может рассматривать - как основа для составления оценочных карт (карт устойчивости ландшафтов, карты районирования по степени экологической опас­ности природопользования и др.), так как содержит комплексную информацию о природных компонентах и заменяет ряд карт компо­нентов. На ее основе проводится увязка данных, получаемых из раз­личных источников информации. При отсутствии бумажной ландшафт­ной карты необходимого масштаба в ГИС возможно составление электронной ландшафтной карты.

Составление ландшафтной карты в среде ГИС проводится на ос­нове объединения информации, полученной при классификации рельефа и ДДЗ. Это объединение может проводиться как на основе наложения (overlay) классификаций рельефа и ДДЗ, так и при помощи совместной классификации этих источников информации. В результате создается карта, содержащая типологические контуры, имею­щие характеристики рельефа и природных компонентов, однородные для каждого из выделяемых типов. Привлечение информации о генезисе территории, которая может быть получена с геоморфологи­ческих карт, из материалов полевых обследований и литературных источников позволяет как конечный продукт получить типолого-генетическую ландшафтную карту. На основе полученной ландшафтной карты с привлечением других материалов проводится построение оце­ночных карт, используемых при проектировании размещения конк­ретных объектов. В итоге создается карта проектируемых объектов, карта прогнозируемого ущерба природным ресурсам, проектируется сеть мониторинга. На рис. 6 представлен один из вариантов схемы органи­зации данных в рамках ГИС для проведения ОВОС.