Реферат по курсу Геоинформатика На тему гис в экологии

Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова

Реферат по курсу: Геоинформатика

На тему: ГИС в экологии

Выполнила: студентка 3 курса

Кафедры ФГМиГ

Ерофеева Д.А.

Москва — 2012

Введение

Экологические проблемы часто требуют незамедлительных и адекватных действий, эффективность которых напрямую связана с оперативностью обработки и представления информации. При комплексном подходе, характерном для экологии, обычно приходится опираться на обобщающие характеристики окружающей среды, вследствие чего, объемы даже минимально достаточной исходной информации, несомненно, должны быть большими. В противном случае обоснованность действий и решений вряд ли может быть достигнута. Однако простого накопления данных тоже, к сожалению, недостаточно. Эти данные должны быть легко доступны, систематизированы в соответствии с потребностями. Хорошо, если есть возможность связать разнородные данные друг с другом, сравнить, проанализировать, просто просмотреть их в удобном и наглядном виде, например, создав на их основе необходимую таблицу, схему, чертеж, карту, диаграмму. Группировка данных в нужном виде, их надлежащее изображение, сопоставление и анализ целиком зависят от квалификации и эрудированности исследователя, выбранного им подхода интерпретации накопленной информации. На этапе обработки и анализа собранных данных существенное, но отнюдь не первое, место занимает техническая оснащенность исследователя, включающая подходящие для решения поставленной задачи аппаратные средства и программное обеспечение. В качестве последнего во всем мире все чаще применяется современная мощная технология географических информационных систем.

1. Целесообразность использования ГИС при решении проблем экологии

ГИС имеет определенные характеристики, которые с полным правом позволяют считать эту технологию основной для целей обработки и управления информацией. Средства ГИС намного превосходят возможности обычных картографических систем, хотя естественно, включают все основные функции получения высококачественных карт и планов. В самой концепции ГИС заложены всесторонние возможности сбора, интеграции и анализа любых распределенных в пространстве или привязанных к конкретному месту данных. Если необходимо визуализировать имеющуюся информацию в виде карты, графика или диаграммы, создать, дополнить или видоизменить базу данных, интегрировать ее с другими базами – единственно верным путем будет обращение к ГИС. В традиционном представлении возможные пределы интеграции разнородных данных искусственно ограничиваются. Близким к идеалу считают, например, возможность создания карты урожайности полей путем объединения данных о почвах, климате и растительности. ГИС позволяет пойти значительно дальше. К вышеприведенному набору данных можно добавить демографическую информацию, сведения о земельной собственности, благосостоянии и доходах населения, объемах капитальных вложений и инвестиций, зонировании территории, состоянии хлебного рынка и т.д. В результате появляется возможность напрямую определить эффективность запланированных или проводящихся мероприятий по сохранению природы, их влияние на жизнь людей и экономику сельского хозяйства. Можно пойти еще дальше и, добавив данные о распространении заболеваний и эпидемий, установить, есть ли взаимосвязь между темпами деградации природы и здоровьем людей, определить возможность возникновения и распространения новых заболеваний. В конечном счете, удается достаточно точно оценить все социально-экономические аспекты любого процесса, например сокращения площади лесных угодий или деградации почв.

2. Роль и место ГИС в природоохранных мероприятиях

2.1. Деградация среды обитания

ГИС с успехом используется для создания карт основных параметров окружающей среды. В дальнейшем, при получении новых данных, эти карты используются для выявления масштабов и темпов деградации флоры и фауны. При вводе данных дистанционных, в частности спутниковых, и обычных полевых наблюдений с их помощью можно осуществлять мониторинг местных и широкомасштабных антропогенных воздействий. Данные об антропогенных нагрузках целесообразно наложить на карты зонирования территории с выделенными областями, представляющими особый интерес с природоохранной точки зрения, например парками, заповедниками и заказниками. Оценку состояния и темпов деградации природной среды можно проводить и по выделенным на всех слоях карты тестовым участкам.

Пример. Климатогенная динамика лесотундровых экосистем

Цель работы заключается в оценке климатогенной динамики древостоев лесотундрового экотона и смещения их верхних границ на Полярном Урале за прошедшее столетие. При разработке методик описания и картирования использованы труды по изучению типов леса В.Н. Сукачева и картированию растительности В.Б. Сочавы, С.Г. Шиятова.

При картировании за основу взят площадной подход, то есть нанесение на карту полигональных объектов — выделов лесотундровых древостоев, однородных по фитоценотическому статусу и возрастной структуре, напочвенному покрову, комплексу морфометрических и лесотаксационных характеристик. Его применение позволяет не только получить данные о пространственно-временных сдвигах разных видов границ древесной растительности, но и выявить изменения в составе и структуре древостоев, произрастающих на разных высотных уровнях и в различных местообитаниях, количественно оценить степень облеснённости территории.

За полевые сезоны 1999-2000, 2001 г.г. закартировано более 300 выделов общей площадью 20 кв. км. Для каждого выдела на основе прямых и косвенных данных по динамике радиального прироста стволов была произведена оценка состава и структуры древесного яруса на конец 90-х годов. Для реконструкции данных за начало и середину ХХ столетия использовались описания и пересчёты на пробных площадях и профилях, наземные фотографии, сделанные в 1960-62 г.г. д.б.н. С.Г. Шиятовым.При помощи ГИС ArcInfo, которая была предоставлена СП DATA+ в рамках программы поддержки ВУЗов России, произведена регистрация и совмещение растровых изображений топографической карты и нанесённых на нее границ выделов. После оцифровки этих данных были получены линейные и полигональные тематические слои и созданы карты, отражающие пространственно-временные изменения площадей различных типов лесотундровых экосистем (отдельно растущие деревья, редины, редколесья и сомкнутые леса) для трех временных интервалов (10-е, 60-е, 90-е гг. ХХ века). На их основе проведена количественная оценка климатически обусловленных изменений в составе и структуре елово-лиственничных древостоев и степени облесененности территории в пределах подгольцового пояса.

INCLUDEPICTURE «http://www.dataplus.ru/ARCREV/Number_21/Images/7_Ris-1.jpg» \* MERGEFORMATINET

Рис. 1. Состояние растительности на начало, в середине и в конце ХХ века.

Из результатов расчета площадей лесотундровых фитоценозов и анализа подготовленных карт следует, что в течение последних 90 лет на Полярном Урале в результате потепления климата произошли большие изменения в распределении древесной растительности.

Площадь елово-лиственничных редколесий возросла в 1,68 раза по сравнению с началом века. Граница их распространения продвинулась в зависимости от крутизны рельефа и ветровых условий от 0,5 км до 4,5 км вдоль склонов и на 20-40 м по высоте. Значительно увеличилась площадь лесов — в 50 раз (с 4,5 га для начала 1910-х до 225,2 га в конце 90-х годов), их граница приобрела сомкнутый характер и продвинулась на 0,5-2,5 км вдоль склонов и до 70 метров по высоте. Площадь редин, отдельно стоящих деревьев и тундры в пределах района исследования сократилась за последние 90 лет на 37%, 16% и 96% соответственно.

INCLUDEPICTURE «http://www.dataplus.ru/Images/Base/empty.gif» \* MERGEFORMATINET

2.2. Загрязнение

С помощью ГИС удобно моделировать влияние и распространение загрязнения от точечных и неточечных (пространственных) источников на местности, в атмосфере и по гидрологической сети. Результаты модельных расчетов можно наложить на природные карты, например карты растительности, или же на карты жилых массивов в данном районе. В результате можно оперативно оценить ближайшие и будущие последствия таких экстремальных ситуаций, как разлив нефти и других вредных веществ, а также влияние постоянно действующих точечных и площадных загрязнителей.

Пример. Контроль уровня загрязнения почв на территории города Казань

Широко известно, что промышленное загрязнение почв хорошо коррелирует с их магнитной восприимчивостью (МВ). Это связано с тем, что вместе с тяжелыми металлами из атмосферного аэрозоля в почву попадают магнитные частицы. Исходными данными служили материалы, собранные в палеомагнитной лаборатории геологического факультета Казанского государственного университета (КГУ), а также собственные данные по отбору образцов почв в парках и лесопарках города. Значение магнитной восприимчивости замерялось с помощью полевого каппометра.

INCLUDEPICTURE «http://www.dataplus.ru/Arcrev/Number_46/Images/14_1a.jpg» \* MERGEFORMATINET

Рис. 2. Карта фактического материала, центральная и северная части города.

На рис. 3 представлена карта распределения магнитной восприимчивости почв на территории города. Зоны повышенных значений МВ представляют собой вытянутые преимущественно с севера на юг области, пересекающие все административные районы города.

INCLUDEPICTURE «http://www.dataplus.ru/Arcrev/Number_46/Images/14_2a.jpg» \* MERGEFORMATINET

Рис. 3. Распределение значений магнитной восприимчивости на территории города.

Распределения показателя суммарного загрязнения и значений магнитной восприимчивости для исследуемой коллекции проб были исследованы на нормальность. Ошибочные значения были отбракованы, после чего распределения стали близки к нормальным. По исправленным данным была построена зависимость суммарного загрязнения от удельной магнитной восприимчивости. Связь между магнитной восприимчивостью и суммарным загрязнением является статистически значимой и оценивается коэффициентом корреляции равным 0,65.

Эта карта наглядно демонстрирует, что значительная часть территории Казани находится в зоне действия негативных процессов, влияющих на экологическое состояние почвенного покрова и функции почв. Вытянутость аномалий в направлении с северо-востока на югозапад обусловлена преобладающими направлениями ветра.

INCLUDEPICTURE «http://www.dataplus.ru/Arcrev/Number_46/Images/14_4a.jpg» \* MERGEFORMATINET

Рис. 4. Карта суммарного загрязнения почв на территории г.Казань

Эта карта наглядно демонстрирует, что значительная часть территории Казани находится в зоне действия негативных процессов, влияющих на экологическое состояние почвенного покрова и функции почв. Вытянутость аномалий в направлении с северо-востока на юго-запад обусловлена преобладающими направлениями ветра.

2.3. Землевладение

ГИС широко применяются для составления и ведения разнообразных, в том числе земельных, кадастров. С их помощью удобно создавать базы данных и карты по земельной собственности, объединять их с базами данных по любым природным и социально-экономическим показателям, накладывать соответствующие карты друг на друга и создавать комплексные (например, ресурсные) карты, строить графики и разного вида диаграммы.

2.4. Охраняемые территории

Еще одна распространенная сфера применения ГИС – сбор и управление данными по охраняемым территориям, таким как заказники, заповедники и национальные парки. В пределах охраняемых районов можно проводить полноценный пространственный мониторинг растительных сообществ ценных и редких видов животных, определять влияние антропогенных вмешательств, таких как туризм, прокладка дорог или ЛЭП, планировать и доводить до реализации природоохранные мероприятия. Возможно выполнение и многопользовательских задач, таких как регулирование выпаса скота и прогнозирование продуктивности земельных угодий. Такие задачи ГИС решает на научной основе, то есть выбираются решения, обеспечивающие минимальный уровень воздействия на дикую природу, сохранение на требуемом уровне чистоты воздуха, водных объектов и почв, особенно в часто посещаемых туристами районах.

Пример. Мониторинг природных комплексов в заповеднике «Денежкин Камень»

В заповеднике «Денежкин Камень» (Свердловская область) в настоящее время создана основа ГИС, ведется ввод данных в соответствующих форматах. Работа начата в 1996 г. в университете Пурду (США). ГИС создавалась на основе программного обеспечения ESRI (ARC/INFO версии 7.х, ArcView GIS 3.х) и системы обработки изображений ERDAS IMAGINE 8.3. Первым этапом в наполнении ГИС был сбор данных о территории заповедника, включающий краткое геоботаническое описание по 16 трансектам, анализ литературы, краткое геоморфологическое описание, обработку данных лесоустройства. Вторым этапом было создание топоосновы в формате ГИС. Для этого использовались топографическая карта масштаба 1:25 000 и черно-белый космический снимок SPOT с разрешением 10 м. Реки, дороги и тропы, высотные изолинии были оцифрованы в ARC/INFO. Для высотной карты создан растровый слой. В результате получены следующие тематические слои: Реки и ручьи; Дороги и тропы; Цифровая карта высот ; Карта экспозиций склонов; Карта углов наклона .

В формат ГИС ввели данные лесоустройства. Для этого оцифровывали контуры выделов и вводили данные таблиц в EXCEL. В ARC/INFO табличные данные были связаны с картой выделов. В результате были созданы слои «Квартальная сеть» и «Лесоустройство».

Геоморфологическое и геоботаническое описания территории, материалы лесоустройства и спутниковые изображения были использованы для создания карты природно-территориальных комплексов заповедника. По снимкам с помощью ERDAS IMAGINE были проведены преобразование главных компонент (PCA) и декорреляционное преобразование (Decorrelation stretch), проанализированы сочетания спектров отражения в диапазонах 432, 451 и 452 Тематического картографа (ТМ) спутника LANDSAT c разрешением 30 м, а также преобразование цветового пространства Красный-Зеленый-Синий (RGB) в Интенсивность-Тон-Насыщенность (IHS). Затем произведена контролируемая и неконтролируемая классификация спектров отражения по 10 основным типам комплексов (Jensen, 1996). Наилучшие результаты (совпадение с материалами лесоустройства и геоботанических описаний) дали декорреляционное преобразование по диапазонам 451 и преобразование главных компонент по диапазонам 432. Дешифрирование плохо различило сосновые леса и леса со значительной примесью сосны кедровой, видимо, из-за сходности спектров отражений этих типов леса .

Результаты и перспективы

Созданные тематические слои ГИС позволили детально анализировать структуру территории, соотношение основных типов леса и природно-территориальных комплексов. В результате проведенного анализа была пересмотрена и приведена в соответствие со структурой территории сеть маршрутов для ведения учётов млекопитающих, птиц, а также учётов продуктивности ягодников и кедровников. Так, например, в ходе анализа выяснилось, что в заповеднике существующими маршрутами недостаточно представлены смешанные леса, в то же время слишком много маршрутов проходит в сосновых лесах. Новая сеть включает 7 маршрутов, представляющих основные типы леса пропорционально их распространению по территории. Сеть маршрутов оцифрована в ARC/INFO.

Анализ структуры территории также позволил наметить оптимальный вариант размещения фенологического маршрута. Сроки вегетации в большой степени связаны с такими характеристиками, как экспозиция склона, угол наклона и тип леса. Используя слои с этой информацией, удалось найти место, в котором наблюдается наибольшее разнообразие фаций, представлены основные типы леса заповедника и наиболее типичные ландшафтные характеристики.

С помощью созданных и распечатанных ГИС- карт существенно улучшилось качество сбора полевого материала. Так, использование новых абрисов для проведения зимних маршрутных учётов (ЗМУ), учётов тетеревиных птиц, учётов продуктивности ягодников и кедровников позволяет точно ориентироваться на местности, заносить след животного именно в той фации, в которой он встречен, облегчает обработку картографического материала. Особо следует отметить значимость того, что материалы лесоустройства, ранее «запертые» в объёмных бумажных томах, стали легко применяться сотрудникам

2.5. Неохраняемые территории

Региональные и местные руководящие структуры широко применяют возможности ГИС для получения оптимальных решений проблем, связанных с распределением и контролируемым использованием земельных ресурсов, улаживанием конфликтных ситуаций между владельцем и арендаторами земель. Полезным и зачастую необходимым бывает сравнение текущих границ участков землепользования с зонированием земель и перспективными планами их использования. ГИС обеспечивает также возможность сопоставления границ землепользования с требованиями дикой природы. Например, в ряде случаев бывает необходимым зарезервировать коридоры миграции диких животных через освоенные территории между заповедниками или национальными парками. Постоянный сбор и обновление данных о границах землепользования может оказать большую помощь при разработке природоохранных, в том числе административных и законодательных мер, отслеживать их исполнение, своевременно вносить изменения и дополнения в имеющиеся законы и постановления на основе базовых научных экологических принципов и концепций.

2.6. Восстановление среды обитания

ГИС является эффективным средством для изучения среды обитания в целом, отдельных видов растительного и животного мира в пространственном и временном аспектах. Если установлены конкретные параметры окружающей среды, необходимые ,например, для существования какого-либо вида животных, включая наличие пастбищ и мест для размножения, соответствующие типы и запасы кормовых ресурсов, источники воды, требования к чистоте природной среды, то ГИС поможет быстро подыскать районы с подходящей комбинацией параметров, в пределах которых условия существования или восстановления численности данного вида будут близки к оптимальным. На стадии адаптации переселенного вида к новой местности ГИС эффективна для мониторинга ближайших и отдаленных последствий предпринятых мероприятий, оценки их успешности, выявления проблем и поиска путей по их преодолению.

2.7. Научные исследования и техническая поддержка

Функциональные интегральные возможности ГИС в наиболее явном виде проявляются и благоприятствуют успешному проведению совместных междисциплинарных исследований. Они обеспечивают объединение и наложение друг на друга любых типов данных, лишь бы их можно было отобразить на карте. К подобным исследованиям относятся, например, такие: анализ взаимосвязей между здоровьем населения и разнообразными (природными, демографическими, экономическими) факторами; количественная оценка влияния параметров окружающей среды на состояние локальных и региональных экосистем и их составляющих; определение доходов землевладельцев в зависимости от преобладающих типов почв, климатических условий, удаленности от городов и др.; выявление численности и плотности ареалов распространения редких и исчезающих видов растений в зависимости от высоты местности, угла наклона и экспозиции склонов.

2.8. Сборники данных и публикации

ГИС значительно упрощает процедуру публикации любых видов картографической продукции. С помощью встроенного языка программного обеспечения (например, ARC/INFO ARC Macro Language (AML)) можно написать программы автоматического создания любых типов печатных карт, графиков, диаграмм и таблиц. Кроме того, простые программные продукты (типа ArcView GIS) позволяют просматривать и напрямую оперировать с данными, содержащимися в базе данных ГИС любому, даже малоопытному, пользователю. При помощи таких простых и легко доступных программ любой пользователь имеет возможность считывать и распечатывать карты (записанные, например, на CD-ROM в формате ГИС ARC/INFO).

2.9. Экологическое образование

Поскольку создание бумажных карт с помощью ГИС значительно упрощается и удешевляется, появляется возможность получения большого количества разнообразных природных карт, что расширяет возможности и широту охвата программ и курсов экологического образования. Ввиду простоты копирования и производства картографической продукции ее может использовать практически любой ученый, преподаватель или студент. Более того, стандартизация формата и компоновки базовых карт служит основой для сбора и демонстрации данных, получаемых учащимися и студентами, обмена данными между учебными заведениями и создания единой базы по регионам и в национальном масштабе. Можно подготовить специальные карты для землевладельцев с целью ознакомления их с планируемыми природоохранными мероприятиями, схемами буферных зон и экологических коридоров, которые создаются в данном районе и могут затронуть их земельные участки.

2.10. Экотуризм

Возможность быстрого создания привлекательных, красочных и, в то же время, качественных профессионально составленных карт делает ГИС идеальным средством создания рекламных и обзорных материалов для вовлечения публики в быстро развивающуюся сферу экотуризма. Характерной чертой так называемых «экотуристов» является глубокая заинтересованность в подробной информации о природных особенностях данной местности или страны, о происходящих в природе процессах, связанных с экологией в широком смысле. Среди этой достаточно многочисленной группы людей большой популярностью пользуются созданные с помощью ГИС научно-образовательные карты, отображающие распространение растительных сообществ, отдельных видов животных и птиц, области эндемиков и т.д. Подобная информация может оказаться полезной для целей экологического образования или для туристских агентств, для получения дополнительных средств из фондов проектов и национальных программ, поощряющих развитие путешествий и экскурсий.

2.11. Мониторинг

По мере расширения и углубления природоохранных мероприятий одной из основных сфер применения ГИС становится слежение за последствиями предпринимаемых действий на локальном и региональном уровнях. Источниками обновляемой информации могут быть результаты наземных съемок или дистанционных наблюдений с воздушного транспорта и из космоса. Использование ГИС эффективно и для мониторинга условий жизнедеятельности местных и привнесенных видов, выявления причинно-следственных цепочек и взаимосвязей, оценки благоприятных и неблагоприятных последствий предпринимаемых природоохранных мероприятий на экосистему в целом и отдельные ее компоненты, принятия оперативных решений по их корректировке в зависимости от меняющихся внешних условий.

В управлении землепользованием и в ведении городского хозяйства одним из основных видов продукции является информация (в том числе картографическая), получаемая на основе имеющихся данных. При решении экологических задач с помощью ГИС акцент на продукцию несколько иной. В ходе экологического наблюдения (мониторинга) осуществляют сбор и совместную обработку данных, относящихся к различным природным средам, моделирование и анализ экологических процессов и тенденций их развития, а также использование данных при принятии решений по управлению качеством окружающей среды.

Результат экологического исследования, как правило, представляет оперативные данные трех типов: констатирующие (измеренные 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).

Из этого следует, что в экологических ГИС применяются в первую очередь динамические модели. В силу этого большую роль в них играют технологии создания электронных карт

Совокупность всех перечисленных трех типов данных составляет основу экологического мониторинга.

Особенностью представления данных в системах экологического мониторинга является то, что на экологических картах в большей степени представлены ареальные геообъекты, чем линейные. Относительно цифрового моделирования принципиальным следует считать использование цифровых моделей типа цифровая модель явления, поле и т.п.

На уровне сбора наряду с топографическими характеристиками дополнительно определяются параметры, характеризующие экологическую обстановку. Это увеличивает объем атрибутивных данных в экологических ГИС по сравнению с типовыми ГИС. Соответственно возрастает роль семантического моделирования.

На уровне моделирования используют специальные методы расчета параметров, характеризующих экологическое состояние среды и определяющих форму представления цифровых карт.

На уровне представления при экологических исследованиях осуществляют выдачу не одной, а, как правило, серии карт, особенно при прогнозировании явлений. В некоторых случаях карты выдаются с применением методов динамической визуализации, что довольно часто можно наблюдать при метеопрогнозах, показываемых по телевидению.

Вывод

Таким образом, мы убедились в том, что средства ГИС намного превосходят возможности обычных картографических систем, хотя естественно, включают все основные функции получения высококачественных карт и планов. В самой концепции ГИС заложены всесторонние возможности сбора, интеграции и анализа любых распределенных в пространстве или привязанных к конкретному месту данных. Если Вам необходимо визуализировать имеющуюся информацию в виде карты, графика или диаграммы, создать, дополнить или видоизменить Вашу базу данных, интегрировать ее с другими базами — единственно верным путем будет обращение к ГИС. Поэтому для сбора, анализа, интеграции информации для решения экологических проблем ГИС является незаменимым инструментом.