Примеры ГИС при проведении ОВОС

Наиболее динамично ГИС технологии в настоящее время внедряются он при создании проектов в нефтяной и газовой промышленности. Поэтому приведем два примера ГИС, реализованных в этой области.

Первый пример — ГИС экологического сопровождения инвестиционно-строительных проектов в нефтегазовой отрасли, предложена

В.В. Хромых (2002). По типологии экологические ГИС можно отнести к классу научно-производственных систем локального уровня. Как правило, они охватывают территорию площадью 50—500 км² и создаются в масштабе 1:25 000 и крупнее. Можно выделить пять основных этапов применения ГИС при экологическом сопровождении инвестиционно - строительных проектов:

• создание электронной ландшафтной карты, база данных кото­рой должна объединять сведения о всех компонентах геосис­тем, включая информацию о наличии и стоимости промысло­вых видов природных ресурсов (экономическая составляющая БД);
• оценка устойчивости геосистем (и их отдельных компонентов) к различным видам антропогенного воздействия на основе ин­тегральных балльных оценок по факторам устойчивости и до­бавление этих оценок в базу данных электронной ландшафт­ной карты (экологическая составляющая БД);
• интеграция карт устойчивости ландшафтов к техногенной на­грузке с картами объектов обустройства и выделение потен­циально опасных для хозяйственного освоения участков тер­ритории (опенка экологического риска);
• выбор оптимальной стратегии при проектировании с учетом как экономической, так и экологической составляющих базы данных (поддержка принятия управленческих решений); -
• организация на базе ГИС системы экологического мониторинга с использованием материалов наземных (полевых) наблюде­ний и ДДЗ, включая космические снимки сверхвысокого раз­решения.

Основной объем пространственной информации, хранящейся в системе, составляют данные, полученные в результате пространствен­ного анализа в ГИС. Таким образом, информационный КПД подоб­ной системы достигает 300-400%. В роли информационных полюсов выступают ландшафтная карта и цифровая модель рельефа. От этих полюсов «меридианами» расходятся информационные связи с други­ми, в основном производными тематическими картами. Пересечения информационных потоков от «природных» и «хозяйственных» эле­ментов системы порождают «эколого-экономический» информацион­ный банк данных, служащий основой при обосновании выбора различных вариантов хозяйственного использования территории. Поддерж­ка принятия управленческих решений в экологической ГИС реализу­ется за счет интеграции пространственных данных естественного (при­родного) и антропогенного (хозяйственного) характера и создания единого «эколого-экономического» пространства, где экономические и экологические показатели находятся в тесной взаимосвязи. Это по­зволяет менеджеру довольно быстро и легко получить ответ на запро­сы, возникающие в процессе управления окружающей средой.

В качестве программного обеспечения используются продукты ESRI Inc.: полнофункциональный программный комплекс ArcInfo и настоль­ная Arc View GIS с модулями Spatial Analyst и 3D Analyst. Для работы с ДДЗ лучше всего подходит   ERDAS IMAGINE (ERDAS Inc.). Такой выбор обусловлен отличной сочетаемостью этих программ друг с дру­гом, потрясающей функциональностью и скоростью при работе с большими объемами пространственных данных.

На начальном этапе доступны, как правило, следующие исход­ные данные:

· топографические карты масштаба 1:25 000;

· карты лесной инвентаризации (кадастровые данные лесотаксационной съемки) масштаба 1:50 000;

· почвенные карты масштаба 1:100 000 и мельче;

· геологические карты масштаба 1:200 000;

· проектная документация (карты транспортных коридоров и хозяйственных объектов масштаба 1:10 000 и крупнее);

· материалы полевых исследований (ландшафтные профили, геоботанические площадки, точки отбора проб и их коорди­наты на основе СРЗ-съемки).

Важным источником информации служат ДДЗ: материалы много-маршрутной аэрофотосъемки масштаба 1:10 000 или 1:15 000, а также космические снимки высокого и сверхвысокого разрешения (Ресурс-О, 5РОТ, 1К5, Ресурс-Ф, Комета, 1копо5 и т.п.). Геологические, почвен­ные карты и космические снимки со спутников «Ресурс-О» в силу большой невязки масштаба с остальными источниками использовать напрямую для цифрования и пространственных операций в ГИС затруд­нительно, однако их необходимо активно применять при составлении ландшафтной карты на начальном этапе для определения границ геоси­стем более высокого иерархического уровня (типов местности).

Построение цифровой модели рельефа (ЦМР) осуществляется при помоши команды Createtin в ArcInfo. Источником данных служат оци­фрованные с топоосновы высотные отметки (mass points), горизонтали, гидросеть и урезы воды (breaklines). Для корректировки используются материалы полевых исследований (нивелирные трассы ландшафтных профилей и материалы проектировщиков). Полученная триангуляцион­ная сеть служит основой для последующих карт углов наклона поверхности, экспозиций склонов (команда Tinarc), геохимических миграций па основе поверхностного стока, а также трехмерных моделей. При создании ландшафтной карты сначала определяются границы типов местности. Ведущая роль при дифференциации отводится геоморфологическим факторам. Большое значение при этом имеет ЦМР. Так к склонам междуречий можно отнести все смежные территории рсугольники сети) с углами наклона, превышающими 2,5-3° (команда Eliminate). Следующим шагом является определение границ геосистем уровня урочищ. На этом уровне районирования усиливается роль границ растительного и почвенного покрова. Для определения границ типов растительности используются ДДЗ. Аэрофото- и космические снимки дешифрируются в пакете ERDAS IMAGINE. Для этого они сначала отнизываются к растру топокарты, затем выделяются полигоны со сходнойяркостью и структурой изображения и сопоставляются с данными топокарты, лесной инвентаризации и полевых наблюдений.

Полученный слой полигонов конвертируется в систему ArcInfo. При оверлейных операциях особенно осторожно следует подходить к млению «паразитных» полигонов (команда Eliminate), так как, на­пример, большинство ландшафтов в центральной пойме имеет вытянутую структуру. Для наполнения атрибутивной базы данных по типам урочищ можно создать простой файл (ТХТ) в таблице INFO, а затем с помощью команды Joinitem осуществить слияние атрибутивной БД (ТХТ) с пространственной (РАТ). В результате получается гигантская база данных, где по каждому полигону ландшафтной карты имеются сведения (атрибуты) о каждом компоненте ландшафта.

Для определения устойчивости ландшафтов к различным видам антропогенного воздействия можно использовать интегральные балльные оценки по следующим факторам устойчивости:

• мощность геосистемы (общая биомасса);
• увлажненность (соответствие накопленной в системе влаги ве­личине испаряемости);
• возможность развития эрозионных процессов;
• динамическое состояние.

Так, для оценки эрозионной опасности земель необходимо определить средний уклон каждой геосистемы. Для этого в ArcInfo проводится наложение (команда Intersect) ландшафтной карты и карты рельефа на основе TIN (команда Tinarc), а затем статистический анализ средствами ArcView GIS полученного векторного покрытия, в котором каждому полигону соответствует только один тип ландшафтной системы и только один участок (треугольник) триангуляционной сети (TIN) с полным набором атрибутивной информации в базе данных (площадь, тип урочища, угол наклона, экспозиция склона и т.п.). Полученная балльная оценка должна быть усилена дополнительными коэффициентами К.Р (наличие растительности) и КП (характер почвенного покрова).

Применение ГИС выводит процесс принятия управленческих ре­шений в экологическом менеджменте на совершенно новый каче­ственный уровень. Возникает возможность детальной оценки каждого варианта проекта по степени воздействия на каждый из компонентов природного комплекса и на геосистему в целом. При этом можно оце­нить также экономическую эффективность каждого варианта. Напри­мер, при прокладке коридоров коммуникаций необходимо рассчи­тать прямой экономический ущерб промысловым видам природных ресурсов из-за изъятия земель. Для этого в ArcInfo (команда Intersect) происходит сложение ландшафтной карты с картой транспортных коридоров и отбрасывается вся остальная территория, не попадаю­щая в зону отвода земель. Вычисляется площадь каждого ландшафта в полосе отвода и ущерб из-за изъятия промысловых видов природных ресурсов (так как каждый ландшафт в базе данных будет содержать све­дения о наличии и урожайности этих ресурсов). Выделение «буферных зон» для границ некоторых ландшафтов позволяет уточнить оценку (ска­жем, клюква имеет наибольшую урожайность по окраинам болот). Используя карту геохимических миграций на основе поверхностного стока, построенную с помощью ЦМР, можно с высокой степенью достоверности предсказать участки возможного подтопления автодорог.

По завершении строительства на базе ГИС организуется система экологического мониторинга территории с использованием ДДЗ.

Второй пример. Применение геоинформационных технологий для проектирования объектов добычи и транспортировки ямальского газа*.

При проектировании освоения газоконденсатных месторождений полуострова Ямал требуется «прозрачный» доступ ко всей имеющей­ся информации о природной среде и характеристиках планируемых или уже существующих промышленных объектов. По этим причинам возрастает внимание к вопросам управления данными по природному комплексу (гидрометеорология, гидрология-гидрохимия, экология, ледовые условия, загрязнение и т.п.) как к взаимосвязанному и ин­тегрированному процессу их обработки, отражаемому схемой «дан­ные об объекте — требуемая информация об объекте».

В связи с этим в Программе РАО Газпром по освоению месторожде­ний полуострова Ямал поставлена задача разработки специализированной информационной системы (СИС-Ямал). Назначение системы состоит в реализации интегрированной информационной технологии накопления, обработки и преобразования данных в достоверную и комплексную информацию, которая необходима для анализа и интерпретации происхо­дящих процессов и явлений в природной и социальной сфере, принятия обоснованных проектных и управленческих решений по объектам ГКМ.

• См.: Одишария Г. Э., ШершневаЛ. В. и др. О применении геоинформационных технологий для проектирования объектов добычи и транспорта ямальского газа // 1998. №'4.

I. Архитектура системыСИС-Ямал представляет собой сложную информационную систему. Рассмотрим ее структуру в общем виде, до­статочном для понимания принципиальных моментов построения и ис­пользования. Базовый уровень системы представляют так называемые компоненты (инструментальные программные системы, стандарты представления и обмена данными, коды и кодификаторы и др.), образую­щие среду для разработки функциональных подсистем СИС-Ямал (рис. 7).

Первый (входной) блок системы — подсистема архивного банка (ЛБД) — накапливает данные о промышленных объектах и окружаю­щей среде, систематизирует и преобразует их во внутренние информа­ционные стандарты СИС-Ямал. Результатом работы АБД являются не-кшисимые и документированные файлы данных по различным сферам (гидрометеорология, геокриология, геоморфология, биота и др.) и ре­гионам (Байдарацкая губа, Бованенковское ГКМ и др.). Модель информа­ционного фонда АБД строится в контексте модели предметной области.

Сформированные в АБД массивы данных поступают в следующий блок системы — интегрированный банк данных (ИБД). Основное на­значение ИБД состоит в поддержании данных в связанном состоянии па основе более сложной модели, учитывающей как предметную об­ласть системы, так и функциональные требования, возникающие в раз­личных ситуациях использования данных для проектирования характе­ристик промышленных объектов и решения других задач. Результатом работы ИБД является комплексная база данных (результаты наблюде­ний и расчетов, литературные данные, топографические и тематичес­кие карты и др.), поддерживаемая в актуальном состоянии для «пита­ния» следующего блока — подсистемы проблемно-ориентированных

приложений (ПРОП). В широком смысле ПРОП можно представить в виде совокупности специально подобранных (под конкретную задачу) тематических данных, ранее полученных знаний и прикладных про­грамм, реализующих методы и модели расчетов характеристик природ­ной среды, которые интегрированы в виде информационно-технологи­ческого комплекса для получения новой информации, необходимой при выборе экологически оправданных и экономически выгодных про­ектных решений по освоению ГКМ полуострова Ямал. Одной из наибо­лее важных задач информационного обеспечения, которую выполняет подсистема, является оценка возможных воздействий проектируемых промышленных объектов на окружающую среду (так называемая задача ОВОС). Подсистемы СИС-Ямал взаимосвязаны, так как они разработа­ны с применением единых компонент. В качестве основной компоненты в СИС-Ямал используется геоинформационная технология в виде се­рии программных продуктов фирмы ESRI для персональных компьюте­ров — ArcVies GIS 3.0a., Spatial Analyst 1.0a, Dialog Designer. Эти про­граммные средства широко применяются в наиболее приближенном к пользователю блоке СИС-Ямал — в подсистеме ПРОП.

2. База данных подсистемы.При решении прикладных задач (в ча­стности, ОВОС) подсистема ПРОП должна предоставить пользова­телю возможность использовать:

• первичные данные наблюдений об окружающей среде и при­нятых характеристиках промышленных объектов (фактографи­ческие данные);
• результаты обработки и обобщения материалов наблюдений в ходе предыдущих научных исследований в виде текстовых опи­саний, графиков и т.п. (текстовые данные);
• топографические и тематические карты, географически при­вязанные результаты гидродинамического и вероятностного мо­делирования характеристик природной среды (пространствен­ные данные).

Стандартизация и систематизация фактографических, текстовых и пространственных данных обеспечивается другими подсистемами СИС-Ямал (подсистемами архивного и интегрированного банка дан­ных) в процессе выполнения более ранних (по отношению к реше­нию прикладных задач) этапов информационной поддержки, реали­зуемой системой в целом. Наиболее актуальные с позиции ПРОП ас­пекты подготовки данных — единство средств идентификации объектов (данных, моделей и т.п.) и представления их во входных документах по отношению к подсистеме. Унифицированность объектов в ПРОП поддерживается специально разработанными или выбранными из су­ществующих кодами, кодификаторами и классификаторами для дан­ных по различным аспектам природной и социальной сред. Единые средства представления данных на носителях составляют более 25 станlартов на форматы фактографических и текстовых данных и метадан­ных. При этом для описания структур фактографических данных ис­пользуется язык архивных данных, разработанный во ВНИИГМИ-МЦД. Для оцифровки пространственных данных применяются стандарты про­дуктов ESRI в виде:

» формата покрытий ARC/INFO для подготовки цифровых карт

топографической основы;

» формата шейп-файлов ArcVies для цифровых тематических карт.

Наиболее ответственным этапом подготовки данных для ПРОП является создание фонда картографических материалов по району освоения газоконденсатных месторождений полуострова Ямал. Основ­ной информационной единицей топографической основы являются иисты карт масштаба 1:1 000 000 (мелкомасштабные), 1:100 000 (круп­номасштабные), 1:25 000 (детальные).

Топографическая основа представляет набор структурированных в виде отдельных покрытий данных о местности в проекции Гаусса—Крюгера (Пулково-42), вычисленной для шестиградусной зоны по параметрам

эллипсоида Красовского, в установленных для данной проекции темах координат и высот. Тематические карты, отражающие состояние

окружающей (природной и антропогенной) среды и требуемые для решения задачи ОВОС, привязаны к единой топографической основе.

3. Основные особенности построения ПРОП.Подсистема разрабатывается в виде ГИС-приложений в инструментальной среде ArcVies GIS 3.0a. Структурно ГИС-приложение ПРОП состоит из базового фрагмента, разработанного на языках Avenue и Visual Basic с применением Dialog Designer, который обеспечивает общие функции по явлению данными, вызову прикладных программ, назначению париев моделирования и расчетов, визуализации и пространственному анализу полученных результатов и аналитических модулей (прикладных программ), выполняющих операции по тематической обработке данных и подключаемых к ГИС-приложению. Взаимодействие счисленных элементов ПРОП и базы данных осуществляется в соответствии со следующими выработанными информационно-программными стандартами:

· информационного интерфейса для поддержки обмена данны­ми между базовым и аналитическим модулями, отображения и анализа полученных результатов;

· программного интерфейса для осуществления инициализации аналитических модулей в подсистеме и организации их вызова из базового фрагмента.

Информационный интерфейс базового фрагмента ПРОП и аналитических модулей осуществляется на основе применения специально разработанного псевдоязыка в виде набора конструкций для описания:

• аналитического модуля перед его инициализацией в подсистеме;
• входных параметров сценария расчета, требуемых для работы аналитического модуля;
• выходных результатов по окончании работы модуля и их пред­ставления (включая геообъекты) и анализа средствами ArcView GIS и Spatial Analyst.

Общее управление данными и заданиями в ПРОП осуществляется базовым фрагментом, при этом пользователю предоставляется взаимосвя­занный набор инструментов, с помощью которых реализуется процесс анализа данных и выбора оптимальных проектных решений по разме­щению промышленных объектов и особенностям их эксплуатации:

• навигатор — средство выбора задания, поиска и отбора необ­ходимых данных в БД;
• рабочая карта — экран для выполнения заданий и просмотра
• их результатов;
• редактор сценариев — диалоговое окно для ввода параметров
• для работы аналитических модулей;
• исполнитель — диалоговая система работы аналитических мо­дулей;
• сборщик отчета — средство для интеграции данных из различ­ных источников ПРОП и получения твердых копий.

В текущей версии ПРОП пользователь может получить параметры для оценки воздействия на окружающую среду технических сооруже­ний в районе исследований, задавая собственные характеристики объектов и особенности их влияния для:

• планирования сброса грунтов в районе перехода газопровода через Байдарацкую губу;
• проведения гидроиспытаний технических средств транспорти­ровки газа через губу;
• планирования характеристик трубопровода в связи с возмож­ным растеплением грунтов под ним;
• оценки экологических последствий атмосферного переноса газа при эксплуатации объектов Бованенковского ГКМ;
• планирования мероприятий в связи с подъемом уровня рек в районе Бованенковского ГКМ;
• планирования мероприятий в связи с эрозией ландшафтных образований в поймах рек.

5.4. Пример использования ПРОП СИС-Ямал

Рассматриваемый характерный пример использования ПРОП пред­ставляет собой одну из более десяти прикладных задач анализа и ин­терпретации данных, которые доступны для решения пользователем подсистемы в настоящее время. Он касается одного из важнейших вопросов стадии проектирования подводного перехода — оценки воздействия на природную среду в процессе его строительства и эксплуатации.

Прибрежная зона Байдарацкой губы служит ключевым участком аккумуляции органического вещества, поэтому она представляет один из важнейших биотопов, являясь идеальным местом нагула молоди рыбы, обитающей в Карском море. Воздействие строительства трубо­провода на окружающую среду в первую очередь связано с распрост­ранением техногенных взвесей в губе при проведении строительных работ и при сбросе вод, используемых при гидроиспытаниях газопроводов. Остановимся более подробно на случае оценки воздействий при залповом сбросе грунта. Интерфейс соответствующего аналитического модуля дает возможность определить фракционный состав грунта, тип используемого земснаряда и отвозной баржи, объем сброса, точки забора и сброса грунта и ряд других параметров.

После окончания расчета на экране появляется предупреждение о том, что в выбранной точке и при заданном объеме сброса нарушены критерии допустимости загрязнения. В качестве такого критерия взято

условие не превышения произведения концентрации на время жизни взвеси определенного размера. Значение этого произведения увеличивается при уменьшении концентрации. Расчет можно повторить для любой другой точки на акватории губы.

В случае возможности или недопустимости сброса на экране появляются соответствующие предупреждения. Как видно из расчета, про­цесс распространения взвеси мелкомасштабный по сравнению с раз­мерами губы. Средства СИС дают возможность определить размер пятна, укрупнить масштаб рассмотрения, посмотреть конкретные значения концентраций в пятне и другую дополнительную информацию для характеристики задачи.

В заключение отметим, что применение геоинформационной тех­нологии при разработке СИС-Ямал предоставляет проектировщику достаточно мощный и простой в использовании инструмент для при­нятия наиболее оптимальных решений с учетом минимального воз­действия на разнообразные объекты природной среды и их экономи­ческой эффективности.

Таким образом, применение ГИС и СИС при проведении ОВОС позво­ляет наиболее полно использовать имеющуюся информацию о террито­рии. Использование ГИС заметно ускоряет и упрощает создание новых картографических материалов, часто в автоматическом режиме. Ин­тегрированный с ГИС статистический анализ и процедуры моделирова­ния позволяют проводить количественную обработку информации и пред­сказывать поведение природных и хозяйственных объектов в различных ситуациях.

ИНЖЕНЕРНО

ЭКО ЛОГИЧЕСКИ Е,

ИЗЫСКАНИИ

ПРИ ЭКОЛОГИЧЕСКОМ

ПРОЕКТИРОВАНИИ