Информационные технологии в экологии и природопользовании - Александр Грачев

Каждая реляционная таблица представляет собой двумерный массив и обладает следующими свойствами:

– каждый элемент таблицы – один элемент данных;

– все ячейки в столбце таблицы однородны, т. е. все элементы в столбце имеют один тип (числовой, символьный и т. д.);

– каждый столбец имеет уникальное имя;

– одинаковые строки в таблице отсутствуют;

– порядок следования строк и столбцов может быть произвольным.

Основополагающими элементами базы данных являются смоделированные элементы действительности.

Информационную основу ГИС составляют данные из следующих основных источников:

– Текстовые (отчеты экспедиций, статьи, книги) и статистические материалы (государственная статистика, данные переписи населения, справочники, каталоги и кадастры).

– Картографические источники (топографические, политические, административные и пр.). В геоинформатике эти карты служат для получения информации об объектах и их картографической привязки.

– Дистанционное зондирование. В настоящее время имеются снимки всей поверхности Земли, полученные со спутников дистанционного зондирования (космические снимки) с метровым разрешением. Эти данные могут быть получены не только в области видимого света, но и в других в электромагнитных диапазонах (инфракрасном, радио). Для получения снимков с большим масштабом используются данные аэрофотосъемки.

– Данные глобальной системы позиционирования (GPS, ГЛОНАСС). Приемники GPS дают возможность оперативно получать координаты.

1.2. Типовые вопросы

1. Место. Вопрос состоит в выяснении, что находится в данном месте. Место может быть определено по географическим координатам, по названию местности, по почтовому коду.

2. Условие. Где нечто находится? Для ответа требуется пространственный анализ. Например, необходимо определить место (одно или несколько), в котором удовлетворяются некоторые условия (например, нужно найти площадку более 2 000 м2 в пределах 100 м от дороги, подходящую для строительства).

Тенденции. Что изменилось? Вопрос представляет собой попытку определить временные изменения на определенной площади (например, как меняется картина загрязнения района на протяжении года).

Структуры. Какие пространственные структуры (распределения) существуют? Построение площадных объектов на основе дискретных точек.

Моделирование. Что, если..? Это вопрос ставят, если хотят, например, выяснить, как повлияет изменение или добавление фактора на общую структуру, например что произойдет, если к существующей сети добавить новую дорогу или если токсичное вещество просочится в грунтовые воды.

2. Классификация и структура ГИС

С точки зрения геоинформатики классификацию всех информационных систем можно представить в виде таксономического дерева:

Схема 1. Классификация информационных систем

По территориальному охвату различаются глобальные ГИС, национальные ГИС, зачастую имеющие статус государственных, региональные ГИС и локальные ГИС. ГИС различаются по предметной области информационного моделирования, например: муниципальные ГИС, природоохранные ГИС, инженерные и т. п. Проблемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней задачами (научными и прикладными), среди них инвентаризация ресурсов (в том числе кадастр), анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений.

По другому признаку классификации в настоящее время в применяются 2 типа ГИС: топологические и нетопологические. Первые способны обрабатывать информацию, связанную с категориями соседства, включенности (различают правую и левую стороны объектов), вторые – нет. Пример первого типа – линейка продуктов ArcGIS компании ESRI и подобные ей системы. Пример второго типа – ГИС Mapinfo. Оба программных продукта также могут иллюстрировать другую дифференцировку – по области применения. Первые в основном решают задачи аналитического и мониторингового характера, поскольку обладают большим числом интегрированных функций, возможностью автоматизации процедур и даже создания экспертно-аналитических автоматизированных систем. Подобные Mapinfo программы более приспособлены для подготовки картографических материалов.

Логически и организационно во всех ГИС можно выделить несколько конструктивных подсистем, выполняющих определенные функции.

Схема 2. Функциональная структура ГИС

Система ввода представляет собой аппаратные средства (клавиатура, мышь, дигитайзер, сканер, приемник GPS и т. д.) и интерфейс ввода данных. Затем координатные и атрибутивные данные хранятся в соответствующих базах данных и по запросу систем управления и обработки и визуализации используются для осуществления всевозможных (математических, логических, аналитических, статистических) операций. Система вывода позволяет выводить результаты этих операций на монитор, печатать, передавать их через Интернет или сохранять для использования в других программах.

В историческом аспекте нарастание функциональных возможностей ГИС происходило по линии от инвентаризации через анализ и моделирование к управлению.

Основные требования, предъявляемые к ГИС:

1. Охват всех сторон информационного, программного, технического обеспечения, проявляющихся в процессе эксплуатации системы, возможность обработки массивов неоднородной пространственно-координированной информации и способность поддерживать базы данных для широкого класса географических объектов.

2. Комплексный характер системы. Основное преимущество геоинформационных технологий по сравнению с традиционными методиками состоит в возможностях совместного анализа больших групп параметров в их взаимной связи, что очень важно для изучения сложных географических явлений и процессов.

3. Открытость системы, обеспечивающая легкость модификаций и адаптации к новым условиям для поддержания ее на современном уровне не только разработчиками, но и пользователями.

3. Применение ГИС

ГИС используются для решения разнообразных задач, основные из которых можно сгруппировать следующим образом:

– обеспечение деятельности органов законодательной и исполнительной власти, силовых структур;

– обеспечение комплексного и отраслевого кадастра (земельного, водного, лесного, недвижимости и т. д.);

– поиск и рациональное использование природных ресурсов;

– территориальное, отраслевое, муниципальное планирование и управление;

– природопользование, мониторинг экологических ситуаций, оценка техногенных воздействий, экологическая экспертиза;

– научные исследования и образование;

– контроль условий жизни населения, здравоохранение и рекреация;

– картографирование (комплексное и отраслевое);

– использование в торговле и маркетинге, бизнесе.

Широко применяется ГИС в узковедомственных, потребительских сферах: транспорт, ценообразование, туризм, торговля, справочные услуги.

Таким образом, ГИС по назначениям и функциям является многоцелевой и ориентирована на обеспечение географическими и другими данными широкого круга организаций и граждан.

К потенциальным потребителям геоинформации относятся:

– структуры власти;

– планирующие органы;

– инспекции и контрольные органы;

– юридические и правоохранительные органы;

– природоохранные организации;

– архитектурно-планировочные и земельные службы города;

– организации, эксплуатирующие коммуникации или транспорт;

– научно-исследовательские и проектные институты;

– строительные организации;

– торговые организации;

– частные предприниматели и лица.

3.1. Применение ГИС в природоохранной деятельности

В ходе экологического мониторинга осуществляется сбор и совместная обработка данных, относящихся к различным природным средам, моделирование и анализ экологических процессов и тенденций их развития, использование данных при принятии решений по управлению качеством окружающей среды. Таким образом, в природоохранной деятельности ГИС являются мощным средством поддержки принятия управленческих решений.

Результат экологического исследования, как правило, представляет оперативные данные следующих типов: констатирующие (измеренные или смоделированные параметры состояния экологической обстановки в момент обследования), оценочные (результаты обработки измерений и получение на этой основе оценок экологической ситуации), прогнозные (прогнозирующие развитие обстановки на заданный период времени).