Картографічне моделювання на базі ГІС-технологій в екологічних дослідженнях ґрунтів - Автореферат

Еколого-географічні дослідження, що спираються на картографічне моделювання, супроводжуються збиранням, накопиченням та опрацюванням значних обсягів різнопланової фактологічної та картографічної інформації про стан навколишнього середовища. Найбільша результативність цих досліджень може бути досягнута за рахунок інтенсивного інформаційного обміну, з постійним поповненням даними та порівнянням їх з раніше накопиченими та синтезованими, з побудовою багатошарових інформаційних та різнорівневих моделей - цифрових карт. Картографічні моделі розроблено на фактичному матеріалі еколого-геохімічних досліджень Інституту геохімії, мінералогії та рудоутворення НАН України (відділу пошукової і екологічної геохімії) та Комгеології України, що одержані при виконанні проекту "Вивчення природного і техногенного аномального та фонового вмісту токсичних елементів у різних еколого-геохімічних ландшафтах України" (№ д.р.0199U0119213). Мета і завдання роботи полягають у розробці теоретичних та методичних основ еколого-географічного картографування з використанням сучасних технічних засобів та ГІС-технологій, створенні автоматизованої картографо-інформаційної системи з можливістю картографічного відображення екологічної ситуації. Основну довідково-інформаційну базу дослідження становили текстові, картографічні та статистичні джерела, що є у фондах Національної бібліотеки України ім.В.І.Вернадського НАН України, Державної медичної наукової бібліотеки, Наукового центру радіаційної медицини Академії медичних наук України.Російські вчені (такі як В.Б.Сочава) на початку 70-х років почали орієнтуватися на міждисциплінарний підхід до екології. У сучасній географічній літературі екологія розглядається як наука, що вивчає елементи та звязки у системі: "середовище - людина - суспільство". Як і будь-який науковий напрям на початку розвитку, екологічне картографування відзначається значним різноманіттям теоретичних пошуків, пріоритетів, способів аналізу інформації та поглядів на обєкти досліджень. В основу другої групи концепцій покладено постулат, що екологія еволюціонувала від біоцентризму до антропо-та демоцентризму. Антропоцентристські та демоцентристські концепції екологічного картографування суттєво відрізняються за пріоритетними категоріями й акцентами в процесі розгляду субєктно-обєктних відношень у системі “Суспільство - Природа”.Дослідження набувають ефективності, результативності й оперативності завдяки реалізації можливостей сучасних геоінформаційних систем, які забезпечують інтенсивний інформаційний обмін з постійним поповненням даними, зіставлення нових даних з раніше накопиченими і синтезованими, побудову багатошарових та різнорівневих моделей цифрових карт. Під час проведення дисертаційних досліджень визначились і сформувалися певні методичні положення: Вивчення та аналіз досвіду картографічного моделювання у сфері екологічних, насамперед еколого-географічних, досліджень за сучасними технологіями в Україні і в світі в цілому дали змогу визначити пріоритетні напрямки в галузях загальної, глобальної екології; екології людини та охорони природи. Другий етап обробки інформації забезпечено методикою наповнення електронної бази даних (текстової, семантичної, табличної та графічної); нею передбачено розміщення просторової та атрибутивної інформації, що необхідна для побудови електронних карт та їх аналізу. Створено технологічну схему автоматизованої картографо-інформаційної системи для екологічних досліджень (див. рис.2) і створено картографічну модель для визначення та відображення можливих зон накопичення забруднюючих елементів та їх сполук у вигляді серії електронних екологічних карт, в якій виділено: базові - фізична (з ЦМР) і адміністративна (з БД) карти та карта ґрунтів; спеціалізовану серію суто екологічних карт - вмісту важких металів у ґрунтах (Zn, Co, Ni, Cu - різних їх форм), сумарного забруднення важкими металами, вмісту радіоактивних речовин у ґрунтах (Sr, Cs), процентного співвідношення вмісту важких металів тощо; серію карт техногенного навантаження - локалізації територіальної концентрації промислових підприємств, густоти автомобільної мережі (буферні зони); карти для аналізу гостроти екологічної ситуації: карти реципієнтів забруднення ґрунтів (густота населення, соціальний стан тощо). Апробація методики на прикладі еколого-географічних досліджень ґрунтів Київської області дала змогу визначити методом картографічного моделювання поширення зон найбільшого ризику для здоровя населення і тварин унаслідок значного забруднення ґрунтів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У процесі екологічного дослідження для збирання, зберігання та обробки значних обсягів різнопланової інформації про стан навколишнього середовища застосовуються новітня електронна техніка та геоінформаційні технології. Дослідження набувають ефективності, результативності й оперативності завдяки реалізації можливостей сучасних геоінформаційних систем, які забезпечують інтенсивний інформаційний обмін з постійним поповненням даними, зіставлення нових даних з раніше накопиченими і синтезованими, побудову багатошарових та різнорівневих моделей цифрових карт.

Аналіз сучасного рівня картографічного забезпечення екологічних досліджень підтверджує необхідність пошуку нових шляхів розвитку наукових та практичних розробок. Геоінформацію, що міститься в екологічних картах, цифрові дані, які відображені у відповідних легендах, необхідно готувати для використання в електронному вигляді. Застосування сучасних програмних засобів для моделювання екологічних ситуацій досить складне, проте перспективність цих робіт для експертних та інших методів оцінки і прогнозування не викликає сумніву.

Під час проведення дисертаційних досліджень визначились і сформувалися певні методичні положення: Вивчення та аналіз досвіду картографічного моделювання у сфері екологічних, насамперед еколого-географічних, досліджень за сучасними технологіями в Україні і в світі в цілому дали змогу визначити пріоритетні напрямки в галузях загальної, глобальної екології; екології людини та охорони природи. До наявних надбань науки з теоретичного обґрунтування побудови геоінформаційних систем слід долучити розробку методології ГІС-картографування. Особливості структури геоінформаційної бази даних визначили методику першого етапу опрацювання (класифікація, збирання, упорядкування, періодичне оновлення та аналіз) різних за формою та змістом даних. Другий етап обробки інформації забезпечено методикою наповнення електронної бази даних (текстової, семантичної, табличної та графічної); нею передбачено розміщення просторової та атрибутивної інформації, що необхідна для побудови електронних карт та їх аналізу. У ГІС-технологію картографічного моделювання введено ланки, які забезпечують єдність всієї АКІС та узгодження карт методом операцій з інформаційними шарами, на основі урахування взаємозвязків явищ, що підлягають картографуванню. Такими ланками стали єдині географічні основи, елементи змісту базових тематичних карт, визначеність даних у часі тощо.

Створено технологічну схему автоматизованої картографо-інформаційної системи для екологічних досліджень (див. рис.2) і створено картографічну модель для визначення та відображення можливих зон накопичення забруднюючих елементів та їх сполук у вигляді серії електронних екологічних карт, в якій виділено: базові - фізична (з ЦМР) і адміністративна (з БД) карти та карта ґрунтів; спеціалізовану серію суто екологічних карт - вмісту важких металів у ґрунтах (Zn, Co, Ni, Cu - різних їх форм), сумарного забруднення важкими металами, вмісту радіоактивних речовин у ґрунтах (Sr, Cs), процентного співвідношення вмісту важких металів тощо; серію карт техногенного навантаження - локалізації територіальної концентрації промислових підприємств, густоти автомобільної мережі (буферні зони); карти для аналізу гостроти екологічної ситуації: карти реципієнтів забруднення ґрунтів (густота населення, соціальний стан тощо). Побудовано цифрову модель рельєфу для інтерполяції ізоліній, розрахунку кутів нахилу, моделювання експозиції схилів, побудови профілів тощо. Апробація методики на прикладі еколого-географічних досліджень ґрунтів Київської області дала змогу визначити методом картографічного моделювання поширення зон найбільшого ризику для здоровя населення і тварин унаслідок значного забруднення ґрунтів. Функціонування АКІС забезпечується послідовним підключенням окремих модулів системи (див. рис 3).

Проведено аналіз різноманітних програмних продуктів, зокрема програм, перелічених на рис.2, оцінено їх придатність до опрацювання матеріалів та наступного подання результатів еколого-географічних досліджень. Обґрунтовано пропозиції щодо оптимізації їх використання у ГІС-картографуванні: робота з ГІС продуктами ARCINFO, ARCVIEW 3.1 (Spatial Analist, Network Analist, 3D Analist) та AUTOCAD MAP більш раціональна, ніж залучення MAPINFO та Surfer .

Рис.2. Технологічна схема автоматизованої картографо-інформаційної системи.

Застосування сучасних компютерних технологій, у першу чергу ГІС, дало змогу опрацювати велику кількість різнопланової інформації як стосовно експериментального обєкта, так і суто технічних питань картографічного моделювання. Створена практично АКІС є еколого-географічним інформаційним комплексом з широкими можливостями для екологічних досліджень та картографічного моделювання. Ця система дає змогу в інтерактивному режимі працювати з картою, робити запити до бази даних з проведенням різних обчислень, візуалізувати одночасно декілька показників на карті, застосовуючи при цьому різні способи їх зображення, отримувати електронну карту. Практично всі роботи виконано на компютерах типу IBM PC Pentium 500 на платформах WINDOWS 95 та NT Work Group 4.0.

Створення електронних екологічних карт не замінює традиційні карти, а є доповненням до загального процесу картографічного дослідження, що розширює можливості аналізу звязків між явищами та процесами. Під час роботи з компютером є змога на високому рівні моделювати і прогнозувати екологічну ситуацію. Основними результатами дисертаційного дослідження є науково-методичне обґрунтування процесу наукового пізнання, здійсненого на основі картографічного моделювання за технологічною схемою створення проблемно-орієнтованої ГІС; реалізація її в автоматизованій картографо-інформаційній системі; апробація її на прикладі еколого-географічного дослідження стану ґрунтів Київської області.

Аналіз фактичного матеріалу, який характеризує просторово-часову мінливість забрудненості ґрунтів, показує, що найповніша оцінка екологічного стану території досягається завдяки АКІС, яка дає змогу залучити всю інформацію загалом, забезпечуючи умови для найбільш оптимального вирішення актуальних проблем. Роботу виконано із застосуванням сучасних геоінформаційних технологій, які дали змогу опрацювати велику кількість різнопланової інформації та організувати її у вигляді єдиної автоматизованої картографо-інформаційної системи. Ця система надає картографічному моделюванню широкі можливості дослідження не лише екологічних, а й інших проблем, обєктів, явищ, процесів.

Журнали: Теоретичні аспекти створення ґрунтово-геохімічних карт // Вісник геодезії та картографії. -1996. -№1(5). - С. 76-81.

Геоекологічна орієнтація сучасної тематичної картографії // Вісник геодезії та картографії. -1999. -№1(12). - С. 39-41.

Науково-методичні основи створення картографічної інформаційної системи для еколого-геохімічних досліджень ґрунтів // Укр.геогр.журнал. - 1999. -№2. - С. 19-26.

Нові риси сучасного картографічного виробництва// Вісник геодезії та картографії. -1999. -№2(13). - С. 58-59.

Підготовка до видання географічних карт з використанням ГІС-технологій // Вісник Книжкової палати. -1997. -№11. - С. 23.

Эколого-геохимическое картирование по подвижным формам химических элементов // Минералогический журнал. -1998. -Т.20. -№5. - С.62-71(співавтори Жовінський Е.Я., Кураєва І.В., Шурпач Н.А.).

Збірники наукових праць: Застосування сучасних компютерних технологій при створенні тематичних карт і у практичних роботах студентів-картографів // Картографія та вища школа: Зб.наук.праць. - К., 1996. - С.72-75.

Створення картографічної інформаційної системи для екологічних досліджень ґрунтів засобами ГІС // Картографія та вища школа: Зб.наук.праць. - К., 1998. - С. 84-86.

Підготовка до видання географічних карт з використанням ГІС-технологій // Картографія та вища школа: Зб.наук.праць. - К., 1998. - С.25-27 (співавтор Городецький Е.М.).

Тези доповідей: Автоматизація створення карт вмісту важких металів у ґрунтах // Тези доп. VII зїзду Українського географічного товариства (Київ, 30 трав. -1 черв. 1995 р.) -К. 1995. - С. 344-346 (співавтори Жовінський Е.Я., Кураєва І.В., Федорищак Р.П.).

Геохімічне картографування забрудненості важкими металами антропогенових відкладів // Тези доп. наук. конф. до 90-річчя проф.П.К.Заморія: Сучасний стан та перспективи розвитку геоморфології, неотектоніки, геології та палеогеографії антропогену України (Київ, 28 бер. 1996 р.) - К., 1996. - С. 53-54 (співавтори Жовінський Е.Я., Кураєва І.В., Федорищак Р.П.).

Наукове забезпечення ГІС-підготовки фахівців картографів // Матер. III Міжнар. наук.-метод. семінару (Харків, 7-11 лип. 1997 р.) - Харків, 1997. - С. 5-6 (співавтори Барановський І.В., Бондаренко Е.Л., Молочко А.М., Яценко О.Ю.).

Автоматизована картографічно-інформаційна система (АКІС) для екологічних досліджень (на прикладі ґрунтів Київської області) // Тези доп. IV Всеукр. конф. з геоінформ. технологій: Теорія, технологія, впровадження ГІС / ГІС-форум (Київ, 12-16 лист. 1998 р.) - К., 1998. - С. 158-160.

Моделювання екоситуацій від регіонального до муніципального рівнів // Тези доп. Ялтинського симпоз. 1999: Українські геозвязки: Геоматика для 21-го століття / (Ялта, Крим, 12-14 трав. 1999) - С. 47-48 .

Геоінформаційні технології та підготовка до видання географічних карт та атласів // Тези доп. Міжн. Наук.-практ. Конф.: Геоінформаційні технології сьогодні / (Львів, 7-9 червн. 1999 р.) - Львів, 1999. - С. 2.