Методическое и информационное обеспечение региональных геоинформационных систем мониторинга природной среды

Гостева, Анна Александровна

Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Методическое и информационное обеспечение региональных геоинформационных систем мониторинга природной среды

кандидата технических наук: Гостева, Анна Александровна
город: Красноярск
год: 2006
специальность ВАК РФ: 05.11.13

Диссертация по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам на тему «Методическое и информационное обеспечение региональных геоинформационных систем мониторинга природной среды»

Автореферат диссертации по теме "Методическое и информационное обеспечение региональных геоинформационных систем мониторинга природной среды"

На правах рукописи

гостева Анна Александровна

МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РЕГИОНАЛЬНЫХ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ

05.11.13 — Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Красноярск — 2006

Работа выполнена

в Красноярском государственном техническом университете и в Институте вычислительного моделирования СО РАН

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, доцент

Якубайлик Олег Эдуардович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Кашкин Валентин Борисович

кандидат физико-математических наук, доцент

Пестунов Игорь Алексеевич

Ведущая организация:

Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН

Защита диссертации состоится «29» июня 2005 г. в 14.00 часов на заседании Диссертационного совета Д 212.098.03 при Красноярском государственном техническом университете по адресу: 660074, г. Красноярск, ул. Ки-ренского, 26, ауд. Г-417.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Красноярского государственного технического университета.

Автореферат разослан « .» А/С? ЗГ 2006 года.

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат технических наук ^ Е.А. Вейсов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Проблемы изучения природных ресурсов, оценки их запасов, объема и темпов расходования, возможностей их сохранения и восстановления приобретают в наше время все большую актуальность. Возросла необходимость постоянного контроля состояния и рационального использования лесных массивов, источников пресной воды, животного мира. Для богатого природными ресурсами Красноярского края в условиях экономики переходного периода особенно актуальна задача мониторинга качества природной среды и использования ее ресурсов.

Чрезвычайно протяжённая территория, климатическое, ландшафтное природно-ресурсное разнообразие диктуют необходимость использование пространственных методов и средств анализа. Уровень развития современных геоинформационных технологий позволяет использовать их и как место для хранения, обработки и презентации тематических карт мониторинга, и как инструмент анализа качества природной среды. Соединение технологий ГИС и Интернет позволяет построить системы сбора и обработки данных в региональном масштабе.

В условиях административной и финансово-экономической реформ и в связи с вводом в действие нового Федерального закона о местном самоуправлении задачи мониторинга и контроля использования, земельных водных, лесных и других природных ресурсов получают новую систему показателей, индикаторов и становятся востребованными на уровне поселений.

Таким образом, резко выросла, потребность в сравнительно простом, недорогом и эффективном методе формирования пространственных данных мониторинга природной среды и контроля использования ее ресурсов. Такую возможность предоставляют информационные технологии, что и определяет практическую актуальность научно-исследовательских работ, посвященных методическому и информационному обеспечению региональных геоинформационных систем мониторинга природной среды. Их научную значимость подчеркивает тот факт, что геоинформатика, как наука, находится на стадии становления и активно нуждается в собственных методах исследования и технологиях формирования геоданных, описывающих объекты исследования.

Цель работы — разработка методического и информационного обеспечения региональных геоинформационных систем мониторинга природной среды для объектов исследования различного типа — от отдельного заповедника до территориальных образований уровня субъекта федерации, на основе современных информационных технологий и комплексного подхода к

. анализу характеристик природной среды, с использованием методов картографического моделирования и геоинформационного анализа.

В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:

- Разработка комплекса методов и технологических решений для информационного обеспечения региональных ГИС различного типа на основе анализа современных методов и технологий подготовки пространственных данных для автоматизированных систем научно-исследовательского и управленческого мониторинга, решения задач эффективного природопользования.

- Построение комплексных цифровых моделей природных территорий и разработка методики создания картографических наборов данных, обеспечивающих решение задач природопользования, управления ресурсами территории, обработки данных научных исследований особо охраняемых территорий.

- Исследование различных характеристик состояния природной среды в научно-исследовательских задачах диагностики, мониторинга и эффективного природопользования:

о анализ экологического состояния вод оз. Шира по интегральному показателю на основе биолюминесцентных тестов; о анализ водно-солевого режима рек Енисейского бассейна заповедника «Центральносибирский»; о создание комплексной цифровой модели заповедника «Центральносибирский» на основе материалов лесоустройства и других картографических материалов, а также данных экспедиционных исследований; о определение сезонной динамики изменения площадей различных типов лесной растительности заповедника «Столбы» по данным дистанционного зондирования.

Научная новизна работы

1. Разработана методика подготовки единой картографической основы для многопользовательских Интернет-систем анализа и интерактивного моделирования состояния природных объектов и ресурсов территорий.

2. Предложена технология актуализации существующих цифровых мо- , делей природных территорий с помощью позиционированных фотографий — обзорных изображений (preview) космических снимков высокого разрешения (Landsat, Ikonos и QuickBird), бесплатно доступных в сети Интернет.

3. Предложены методы представления данных экспериментальных измерений в геоинформационных системах мониторинга качества водных ресурсов для обработки данных:

— биолюминесцентного анализа для оценки загрязнения поверхностных вод,

— измерений солености с целью выявления гидрохимических характеристик речной сети и проведения первичного экологического мониторинга водосборной территории.

Практическая значимость

Апробированы на практике технологические решения для создания (актуализации, наполнения данными) геоинформационных систем анализа и моделирования территориально-распределеиных процессов. Разработки были использованы в прикладных проектах и позволили получить следующие результаты:

- геоинформационная Интернет-система «Природные ресурсы Красноярского края»;

- информационно-аналитический портал «Земельные ресурсы Красноярского края» (заказчик — Комитет по земельным ресурсам и землеустройству Красноярского края);

- информационно-аналитический портал «Градостроительный кадастр» (заказчик — Комитет по градостроительству и архитектуре Красноярского края);

- атлас социально-экономических карт Ханты-Мансийского автономного округа для информационно-графической системы «ТЕРРА» (заказчик — Комитет по информационным ресурсам Администрации Губернатора Ханты-Мансийского автономного округа);

- Создание комплексной цифровой модели территории Государственного природного биосферного заповедника «Центральносибирский»;

- веб-сайт заповедника «Центральносибирский».

Для всех указанных информационных систем предложенные в диссертационной работе технологии и методики позволяют пользователю далее самостоятельно продолжать работу по наполнению соответствующих баз данных, в том числе обновлению и актуализации картографического материала, извлечению новых знаний. Все развитые в работе методы обладают высоким уровнем универсальности, а технологические решения — простотой в использовании; это позволило их применить при реализации ряда коммерческих проектов фирмы ТОРИНС и хоздоговорных работ Института вычислительного моделирования СО РАН. Положения, выносимые на защиту:

построение комплексной цифровой модели, картографическое моделирование и создание геоинформационных Интернет-атласов;

— Технология актуализации цифровых моделей природных территорий с помощью позиционированных фотографий — обзорных изображений (preview) для космических снимков высокого разрешения (Landsat, Ikonos и QuickBird), бесплатно доступных в сети Интернет;

— Методы представления данных экспериментальных измерений в геоинформационных системах мониторинга качества окружающей среды и оценки водных ресурсов и результаты, полученные на их основе.

Апробация работы

Основные теоретические результаты, отдельные положения, а также результаты конкретных прикладных исследований и разработок были представлены на Конференции молодых учёных ИВМ СО РАН (Красноярск, 2002 г.), на XV конференции молодых географов Сибири и Дальнего Востока (Иркутск, 2003 г.), на конференции «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» (Красноярск, . 2003 г.), на Всероссийских научно-практических конференциях «Проблемы информатизации региона» (Красноярск, 2003, 2005 гт.), на международной конференции «Вычислительные и информационные технологии в науке, технике и образовании» (Алматы, 2004 г.), на VII Всероссийском семинаре «Моделирование неравновесных систем» (Красноярск, 2004 г.), на VIII научном совещании по прикладной географии (Иркутск, 2005 г.) на Всероссийском совещании-семинаре с международным участием «Дистанционные методы в лесоустройстве и учете лесов» (Красноярск, 2005) и на IV Всеси-бирском конгрессе женщин-математиков (Красноярск, 2006).

Публикации и личный вклад автора

По результатам диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, 2 методических пособия для студентов, обучающихся по специальностям «Землеустройство», «Земельный кадастр», «Городской кадастр». Исследования, выполненные в ходе диссертационной работы, были поддержаны Российским фондом фундаментальных исследований (гранты РФФИ-ККФН 03-07-9б001-р2003енисей_в и РФФИ-ККФН 03-07-96001).

При разработке информационно-графической системы «ТЕРРА» автор участвовал в постановке задачи, создании картографического наполнения, обработке исходных наборов данных.

Автором создано картографическое наполнение геоинформационной Интернет-системы «Природные ресурсы Красноярского края», информационно-аналитических порталов «Земельные ресурсы Красноярского края» и «Градостроительный кадастр».

В проекте ГИС «Центральносибирский» автор участвовал в постановке задачи, выборе методов и технологий создания комплексной цифровой модели территории заповедника. По разработанной автором методике создана векторная топографическая основа масштабом 1:200 ООО, включающая в себя 22 слоя, а также проведена работа по оцифровке планов лесонасаждений Комсинского и Центрального лесничеств. Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из Введения, 5 глав, Заключения, Списка литературы из 110 наименований и 5 Приложений. Работа изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц и иллюстрирована 30 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обо сновывается актуальность темы разработки региональных географических информационных систем мониторинга природной среды, формулируются цель и задачи работы, дан обзор содержания работы.

Первая глава посвящена анализу существующих технологических решений создания региональных геоинформационных систем. В ней приведен обзор существующего на рынке программного обеспечения в области ГИС-технологий. Описаны и проанализированы технологические цепочки, являющиеся универсальными для задач анализа практически любых пространственно-распределенных данных. В этой главе также проведён анализ наиболее характерных трудностей и проблем, возникающих при проектировании ГИС различного назначения. Проведённый анализ положен в основу для разработки технологии создания единой картографической основы, описанной в следующих главах диссертационной работы. Приведен обзор существующих проектов, выполненных в различных областях, содержание которых близко или аналогично теме диссертационной работы.

Во второй главе рассматривается методика создания картографического информационного обеспечения региональных геоинформационных систем мониторинга природной среды. Она основана на использовании программных средств и технологий ГИС и обеспечивает решение задач визуализации и интерпретации данных для аналитических исследований различных характеристик территории.

Отличительной особенностью методики является применение более десятка программных продуктов ГИС (GeoDraw/Geograph, EasyTrace, Raster2Vector, MicroStation, Mapinfo, ESRI ArcGIS, ERDAS, IDRISI, и др.). Последовательность и правила использования конкретных систем и геоинформационных моделей определяются типом исходных данных и характером решаемых задач. В разработанной методике приведены необходимые этапы для создания единой картографической основы, т.е. комплексной сис-

■темы цифровых картографических материалов, согласованных по территориальному охвату, содержанию, формату, масштабам, системам условных знаков, классификаторам. Даны рекомендации по выбору технологической цепочки и программного обеспечения в решении конкретных задач относительно исходного материала (бумажные карты, векторные карты, данные дистанционного зондирования, табличные данные). Формирование по данной методике единой картографической основы выполняется с учетом требований систем интерактивного моделирования и анализа геоинформационных Интернет-атласов. Общая схема методики представлена на рисунке 1.

Исходные данные • Бумажные карты ■

^ Физик о-географические } карты различного масштаба £

С Тематические карты без | географической сетки Е

V ВекГорньн»;картъ1 ...

•Г~Даниые • географически ?<] координатах

!?Г"Данные ■ местной системе*"!

координатах .1 Данные без координатной

■Семантика:

,г[ Бумажные источники^ "I Данные а различных

^_алектроиных форматах_|

Внешняя~БД с атрибутивной ' г] информацией

Данные дистанционного ^ £ .■..•.,••/ зондирования !

Космические снимки

£;0%орныя изображения ^¡(ргеу1в*) космических сним-аьюокого разрешения

Технологические решения

Ч Сканирование (оцифровка в |

_растр)_|

..............................................

6еоОга*ЛЗеоСгарЛ. | ЕазуТгасе, М£го2иИоп | На разка растрового слоя |;

Выходные данные

СеоОгажДаеоСягарП, Агсе13

Разбиение по слоям [однородность, по смыслу)

Определение топологической связности между слоями карты

Преобразование а единую систему координат

7Г"

Г ео^гв«/Се о<ВгарК Мар'пУо ")

;_АгсС15_:

Создание атрибутивных 1; ¡1 , таблиц /1;

Редактирование и экспорт \; атрибутивных таблиц /\ • ' Геокодирование А!

г Компоновка единого ^ проекта а ГИС конечного пользователи /" Размещение карто- > графических данных на \ ГИС-УУеЬ-сереере .,

Набор данных единой картографической основы территории

£ Уточнение и привязка И р географических координат не— и ВКО 0.

£ Преобразование в " векторный слой

Рисунок 1 — Методика создания картографического информационного обеспечения региональных ГИС мониторинга природной среды

Первым этапом в создании единой картографической основы является анализ и выбор исходного картографического материала относительно решаемой задачи. В большинстве случаев требуется использование всех источников данных, которые разнородны по сути.

При переводе данных из бумажных картографических источников в цифровую форму возникает ряд проблем, которые необходимо учитывать

при создании векторных слоев для наполнения цифровых моделей природных территории. Во-первых, проблемы, связанные со сканированием. Хорошее качество исходных растров крайне существенно для успешной векторизации. Во-вторых, зачастую для создания цифровой модели территории необходимо использование данных из нескольких картографических источников, которые в свою очередь имеют различный масштаб, различную проекцию и т.п. От выбора источников зависит точность и наполнение создаваемой цифровой модели территории. В-третьих, информация обязательно должна сниматься с карт наиболее крупного масштаба, по сравнению с подробностью составляемой электронной карты. Доступными источниками в настоящее время являются карты масштабом 1:100 000 и мельче. В-четвертых, для создания топологически корректной структуры векторных данных, независимо от того, используется топологическая модель представления данных или нетопологическая, следует располагать на одном слое объекты из элементов одного типа (точечные, линейные или полигональные), не допускать рассогласованности комбинаций объектов разных типов (площадь — линия, линия — точка и т.п.).

Технология преобразования бумажных источников в единую картографическую основу включает четыре основных этапа: 1) сканирование бумажных картографических источников (создание растровой подложки); 2) обработка данных в программах-векторизаторах (GeoDraw/Geograph, Easy Trace, MicroStation), т.е. преобразование карт в цифровую форму (векторизация объектов) по растровой подложке; 3) обработка данных: создание отдельных векторных слоев; сшивка слоев; идентификация всех объектов каждого слоя; создание для каждого отдельного слоя атрибутивной таблицы данных; перемасштабирование объектов; перевод данных в единую систему координат, организацию и поддержку импорта и экспорта различных слоев; 4) обработка данных в ГИС конечного пользователя (Maplnfo, ESRI ArcGIS). Создание единого проекта цифровой карты, а именно компоновку, подготовку отдельных слоев ГИС, присвоение каждому объекту слоя символьного и цветового значения.

При этом следует отметить, что порядок выполнения действий в третьем пункте не важен, часть из них может выполняться в программах-векторизаторах или после конвертации через обменный формат в ГИС конечного пользователя.

Технология преобразования векторных данных в единую картографическую основу включает три основных этапа. На первом этапе производится предварительный анализ и экспорт данных в обменный формат. На втором этапе входные векторные данные необходимо проверить на выполнение трех основных условий: 1) наличие единой системы координат (включает в себя приведение всех данных в единую систему географических координат);

2) наличие топологической корректности слоев и набора в целом (исправление неточностей топологии); 3) наличие семантики (атрибутивных таблиц). На заключительном этапе при выполнении всех условий второго этапа данные конвертируются в ГИС конечного пользователя, где собираются в единый проект, включая компоновку.

Далее приводится описание технологии преобразования карт в единую систему координат с целью сведения разнородных цифровых картографических материалов и описание особенностей создания семантической информации для региональной ГИС различного типа.

Актуализация карт является наиболее острой задачей в настоящее время. Регулярные космические съёмки предоставляют объективный, оперативно получаемый материал о состоянии территорий и её изменениях, а современные геоинформационные технологии обработки космических снимков обеспечивают точное совмещение разновременных материалов для изучения и картографирования динамики изменений.

Снимки, полученные в каталоге CARTERRA

(http://carterraon1ine.spaceimaging.com/) с помощью сенсора IKONOS, являются позиционированными фотографиями — обзорными изображениями (preview), дающими исчерпывающее представление о коммерческих снимках метрового разрешения и предоставляемыми бесплатно. В то же время, точность этих preview-снимков достаточна для уточнения карт с масштабом до 1:35 ООО. С их помощью можно отслеживать динамику изменений местности. В работе детально описана технологическая цепочка работы с космическими снимками, состоящая из пяти этапов, включающая перепроектирование растров (preview-снимков), создание world-файлов привязки.

Предложена технология подготовки картографический данных для публикации в сети Интернет, которая включает методы и средства оптимизации, хранения и обработки картографических данных для повышения производительности картографического web-cepeepa, а также учитывает специфические особенности представления картографических данных в сети Интернет.

В третьей главе описаны технологические решения, связанные с построением комплексных цифровых моделей природных территорий Красноярского края.

По технологии актуализации данных предложенной в методике создания картографического информационного обеспечения проведено уточнение существующей модели ГИС заповедника «Столбы» с использованием данных дистанционного зондирования со спутника Landsat-7, с целью устранения существующих искажений.

В работе также описаны этапы разработки региональной ГИС для Государственного природного заповедника (ГПБЗ) «Центральносибирский».

Для территории ГТТБЗ «Центральносибирский» создана векторная топографическая основа масштабом 1:200 ООО используя данные Роскартографии. Создание основы включало сборку цифровых карт в единую электронную карту, создание тематических слоев и привязку атрибутивной информации. Проведена верификация цифровой электронной карты. Полученные векторные слои были собраны в единый проект в ГИС ЕБЫ АгсОК.

Векторная топографическая основа территории заповедника включает в себя набор электронных тематических слоев территории, таких, как математическая основа (пункты государственной геодезической сети, градусная сетка), гидрография (реки и ручьи - линейные слои, озера, крупные реки, зоны затопления, болота — площадные слои, и точечный слой — отметка глубины, ключ, родник, колодец, брод и т.д.), населенные пункты, объекты промышленности, сельского хозяйства, связи и др., транспортные пути сообщения, рельеф (горизонтали основные и вспомогательные, обрыв, осыпь — линейный слой, район распространения карста, овраг — полигональный слой и точечный слой — ямы, отметки высот, скала-останец, скопление камней и т.д.), грунты (каменистая поверхность, пески, болото (проходимое, непроходимое), галечниковая и гравийная поверхность и т.д. — полигональный слой). Созданная векторная топографическая основа помещена на сайт заповедника «Центральносибирский» в Интернет (http://www.centralsib.ru).

Карты лесоустройства имеют более крупный масштаб 1:50 ООО, поэтому слои гидрографии векторизовались с целью замены существующих слоев на более точные (крупномасштабные) данные. Для Комсинского и Центрального лесничества были получены следующие слои: выделы, квартальная сеть, граница лесничества, гидрографическая сеть. Для каждого слоя созданы атрибутивные таблицы. Для слоя выделов хранится информация о номере квартала и номере выдела, что позволяет наполнять данный слой таксационными описаниями.

Для управления территорией и рационального распоряжения природными ресурсами необходимо иметь обобщенные характеристики её состояния, возможность оперативно и в наглядной форме получать необходимые для принятия решений детальные сведения об объектах управления. В этой связи возникает задача формирования требований к системе управления и обеспечивающим ее информационным ресурсам, выявление приоритетов и основных факторов, влияющих на развитие. Создание геоинформационной Интернет-системы «Природные ресурсы Красноярского края» позволило собрать в единое целое, систематизировать и классифицировать фактический материал, имеющийся в монографиях, статьях и компьютерных базах данных, представить его в доступной форме — в виде гипертекстовой географической информационной системы в сети Интернет. Всего по разделам представлено более 800 сообщений, значительная часть которых связана

гипертекстовыми ссылками с соответствующими тематическими картами ГИС. Геоинформационная составляющая системы подготовлена на цифровой топографической основе масштабов 1:8 ООО ООО и 1:1 ООО ООО. Проведен анализ земельных ресурсов Красноярского края, составлены тематические карты по различным показателям, на основе индикаторов устойчивого развития выявлены наиболее неблагоприятные районы Красноярского края по состоянию земельных ресурсов.

Для территории Красноярского края проведена работа по созданию слоя сельсоветов на основе карт масштаба 1:1 000 000 (Роскартографии), масштаба 1:100 000 (ВИСХАГИ). Уточнение проводилось с помощью обзорных. изображений (preview) для космических снимков высокого разрешения (Ikonos и QuickBird). Для каждого района края получен новый слой сельсоветов, уточнены дороги, положение населенных пунктов и гидрографическая сеть.

В четвертой главе рассматриваются приложения разработанных технологий к нескольким задачам мониторинга природной среды; дается краткое описание четырех проектов, в которых использованы технологические решения, предлагаемые автором.

1) В Институте биофизики СО РАН на протяжении многих лет ведется работа по изучению различных характеристик озера Шира. Лабораторией ИБФ СО РАН предложен метод для оценки степени загрязнения воды в водоёме с помощью биолюминесцентного анализа. В диссертации использовались экспериментальные данные, полученные по двум методам (метод бактериальной биолюминесценции и люциферазный люминесцентный тест). Суть обоих методов сводится к измерению интенсивности света, который продуцируется в ходе биохимической реакции. Были предоставлены точные географические координаты станций биосъемок и исходные данные измерений в табличном виде. В результате их обработки по предложенной методике создана локальная ГИС озера Шира. Для построения карт распределения интенсивности свечения использовалась ГИС ESRI ArcGIS с модулем расширения Spatial Analyst (метод интерполяции Обратно Взвешенных Расстояний). Изолинии строились с помощью интерполяции показателей, определённых в ходе биосъёмки в указанных точках озера. Разработанная геоинформационная система позволяет оценить экологические состояние водных ресурсов озера.

2) В работе рассмотрены особенности водно-солевого режима рек Енисейского бассейна. Солёность вод естественных водоёмов является важнейшим показателем экологического благополучия, как самих водных экосистем, так и наземных экосистем (луга, пойменные сообщества, болота). Кроме того, солёность может служить информативным индикатором состояния экосистемы. Предложена методика обработки данных измерений

солёности с целью выявления гидрохимических характеристик и проведения первичного экологического мониторинга водосборной территории бассейна реки Енисей в пределах границ заповедника «Централъносибирский». Для измерения солености (электропроводности), которая проводилась в экспедиционных условиях при участии автора, использован портативный прибор ИС-1, разработанный и изготовленный в Институте вычислительного моделирования СО РАН. При бор предназначен для измерения солености природных вод в диапазоне концентраций солей от 10 до 1000 мг/л. Местоположение точек замеров определялось при помощи GPS-приемника. Значение солености измерялось на нескольких участках: на реке Енисей в 43 точках (заложены 4 разреза (сечения) через каждые 180 метров); на притоках реки Енисей в 22 точках; на реке Столбовой в 23 точках и в 15 точках на реках и ручьях, впадающих в Столбовую.

Установлено, что уровень солености р. Столбовая и её притоков, протекающих через болотистые участки, даже при значительном количестве осадков не превышает значения 50 мг/л. Это свидетельствует об отсутствии загрязнений в реке. Данные по солёности хранятся в картографической базе данных и могут быть использованы для выявления тех или иных аномальных процессов в различных районах заповедника, так как характеризуют состояние водной среды, а вместе с ней и состояние экосистемы в целом по всей территории заповедника.

При определении водосборной территории рек необходимо учитывать характеристику реки, особенности рельефа территории по которой она протекает, выделить водораздельные хребты. Поставленная задача решалась в несколько этапов. Во-первых, необходимо построить цифровую модель рельефа (используя модель TIN — нерегулярная треугольная сеть), во-вторых, на основе построенной TIN-модели строится карта распределения наклонов по сторонам света и карта углов наклона. На основе этих карт в ГИС ESRI ArcGIS был проведен контур площади водосбора для рек: Столбовая, которая включает в себя такие реки как Кулинна, Биробчан, Дальку-ма; по левому берегу р. Енисей — Верхняя Лебедянка, Осиновка; по правому берегу р. Енисей - Большая Комса, Инзыревка. Для каждой реки была проведена граница, отделяющая водосборную территорию реки и ее притоков включающая болота из которых берут начала ручьи и реки от водосборной территории других рек (см. таблицу 1).

3) В данной работе был проведен анализ распределения растительного покрова некоторых лесничеств ГПБЗ «Централъносибирский». Заповедник состоит из трех лесничеств Комсинское, Центральное и Суломайское. Вся территория лесничеств поделена на кварталы, каждому из которых присвоен идентификационный номер. Каждый квартал поделен на выделы, которые имеют свой номер, площадь, возраст и бонитет. На картах отражены сле-

■Таблица 1 — Значение солености, площадь водосбора

Название реки Площадь водосборной территории, км2 Значение солености, мг/л

Столбовая 5 372 42,40

Верхняя Лебедянка 358,89 51,72

Осиновка 408,15 63,67

Большая Комса 612,01 81,93

Инзыревка 309,95 45,75

дующие лесообразователи: кедр, сосна, лиственница, ель, пихта, береза, ива кустарниковая, ольховник, ерник, осина. Также на карте имеются болота, гидрография, гари, погибшие насаждения и насаждения по сырым и мокрым местам. На основе оцифрованных карт лесоустройства Комсинского и Центрального лесничеств определена общая площадь по занимаемой породе деревьев, по возрасту, по бонитету, и построены тематические карты. Проведен геоинформационный анализ распределения растительного покрова Центрального и Комсинского лесничеств по высотам над уровнем моря и определены ориентации склонов для основных элементов леса этих лесничеств.

20 Н

| 15

С с

29 мая 2004 г.

Р!

4 июня 2004 г.

0 Подтаежно-лесостепной ВПК □ Горно-таежный ВПК В Интразональные (ельники)

тшш

9 июля 2004 г.

1 августа 15 августа 28 августа 2004 г. 2004 г. 2004 г.

Даты

Рисунок 2 — Сезонная динамика высотно-поясных комплексов

4) В последнем проекте проведён анализ соотношений площадей классов покрова в сезонной динамике высотно-поясных комплексов (ВПК) района заповедника «Столбы», по результатам обработки репрезентативного ряда спутниковых изображений Terra/MODIS (см. рисунок 2).

Показана возможность определения временных сроков оптимального дешифрирования заданных классов ВПК. В частности, отмечено, что начало и конец сезона вегетации характеризуются превышением площади подтаеж-но-лесостепного ВПК над площадью горно-таежного. В то время как в середине сезона наблюдается устойчивое обратное соотношение.

В пятой главе рассматривается подготовка информационного обеспечения региональных систем мониторинга природной среды, прикладных разработок, выполненных на основе разработанных в диссертации технологий.

В проекте «Градостроительный кадастр» Красноярского края созданы карты для 42 районов в отдельности и общая карта края. Для каждого района в соответствии с техническим заданием созданы наборы данных, включающие в себя следующие слои: граница района; границы сельсоветов; гидрографическая сеть; дорожная сеть; населенные пункты.

При создании общей карты края проведена актуализация имеющихся границ районов. В процессе создания было обработано около 100 обзорных изображений (preview) космических снимков высокого разрешения. В соответствии с территориально-административным делением создано 43 набора карт на каждый район и край в целом.

Для картографического наполнения Информационно-графической системы «ТЕРРА» была проведена систематизация и каталогизация имеющихся карт предыдущей версии «ТЕРРА», а также карт, предоставленных комитетом по информационным ресурсам Администрации Губернатора Ханты-Мансийского автономного округа — Югры. Созданы карты для каждого района в отдельности и общая карта округа. Общая карта ХМАО включает слои: граница ХМАО, границы районов ХМАО, растительность, гидрографическая сеть, дорожная сеть, охранные территории, населенные пункты. Карта выполнена в нескольких вариантах с различной степенью детализации объектов. Кроме того, для округа созданы два типа карт-основ для тематического картографирования, включающего тематическую раскраску, построение диаграмм и гистограмм. На первой карте муниципальные образования городского типа представлены своими реальными границами, на второй карте — в виде кружков. Сделано это для удобства получения визуальной информации, так как площадь некоторых городов мала. Для построения диаграмм и гистограмм был создан точечный слой, определяющий их расположение на карте. Координаты точек были добавлены в атрибутивную таблицу слоя границ района.

Для каждого из девяти районов (Белоярский, Березовский, Кондин-ский, Нефтеюганский, Нижневартовский, Октябрьский, Советский, Сургутский, Ханты-Мансийский) ХМАО были созданы карты, собранные из следующих слоев: граница района, административное деление района, населенные пункты, лицензионные участки, родовые угодья, охранные территории, транспортные узлы, дорожная сеть, гидросеть, болота, трубопроводы. Для каждого района создано по 5 карт: общая карта района; карта административного деления района; карта района х делением по лицензионным участкам; карта района с делением по родовым угодьям; контурная карта района.

В рамках проекта «Природные ресурсы Красноярского края» выполнены работы по созданию около 50 тематических карт по земельным характеристикам. В качестве базовой картографической основы была использована специально подготовленная карта административно-территориального деления, включающая 606 объектов уровня сельсовета.

Для ГИС ГПБЗ «Централыюсибирский» создана цифровая топографическая основа, включающая 16 векторных слоев. Проведены работы по оцифровке планов лесонасаждений Комсинского и Центрального лесничества. Для каждого лесничества были получены следующие слои: выделы (13257 объектов), квартальная сеть (476 объектов), граница лесничества, гидрографическая сеть. Для каждого слоя созданы атрибутивные таблицы. Для слоя выделов хранится информация о номере квартала и номере выдела, возрасте, бонитете, площади выдела, породе деревьев, группе возраста, что позволяет наполнять данный слой таксационными описаниями.

В заключении перечислены основные научно-практические результаты работы.

В приложениях приведен иллюстративный материал к проектам, созданных в рамках диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана методика создания картографического информационного обеспечения региональных геоинформационных систем мониторинга природной среды с учетом требований систем интерактивного моделирования и анализа пространственно-распределенных процессов и геоинформационных Интернет-атласов. Методика основана на использовании программных средств и технологий ГИС и обеспечивает решение задач визуализации и интерпретации данных, аналитических исследований различных характеристик территории, а также позволяет автоматизировать и качественно улучшить контроль за состоянием природных ресурсов.

2. Предложены методы представления данных экспериментальных измерений в геоинформационных системах мониторинга качества окружающей среды и оценки водных ресурсов в задачах: (1) обработки данных биолюминесцентного анализа для оценки загрязнения поверхностных вод; (2) обработки данных измерений солености с целью выявления гидрохимических характеристик речной сети и проведения первичного экологического мониторинга водосборной территории.

3. Предложена технология актуализации существующих цифровых моделей природных территорий с помощью обзорных изображений (preview) космических снимков высокого разрешения (Landsat, Ikonos и Quick-Bird), бесплатно доступных в сети Интернет. Показано, что эти обзорные изображения можно использовать для уточнения цифровой картографической основы в масштабах от 1:35 ООО и выше.

4. Получены научно-исследовательские результаты мониторинга состояния водных ресурсов заповедных территорий:

— карты распределения интенсивности свсчсния биолюминесцентных систем оз. Шира;

— классификация по степени солености крупных рек заповедника «Центр альносибирский».

5. Проведены исследования методами геоинформационного анализа природной среды заповедных территорий, направленные на изучение- отдельных особенностей ландшафта и лесной растительности заповедника «Центральносибирский», выявление статистических связей между этими особенностями, сезонной динамики изменения различных типов лесной растительности в заповеднике «Столбы».

6. При выполнении научно-исследовательских и хоздоговорных работ получены прикладные результаты — картографическое и информационное обеспечение для ряда разработанных и внедренных систем:

— геоинформационная Интернет-система «Природные ресурсы Красноярского края»,

— информационно-аналитический портал «Земельные ресурсы Красноярского края» Комитета по земельным ресурсам и землеустройству Красноярского края,

— информационно-аналитический портал «Градостроительный кадастр» Комитета по градостроительству и архитектуре Красноярского края;

— информационно-графическая система анализа региональной инфраструктуры «ТЕРРА» для Ханты-Мансийского автономного округа.

Основные результаты диссертации опубликованы в:

1. Гостева, А. А. Разработка технологии создания ГИС-Web-сайта / А.А.Гостева// Материалы конференции молодых ученых Института вычислительного моделирования СО РАН. — Красноярск: ИВМ СО РАН,

2002. - С. 4-6.

2. Гостева, А. А. Технология подготовки данных для интерпретации результатов биолюминесцентного анализа оз. Шира / А.А. Гостева // География: новые методы и перспективы развития / Материалы XV конференции молодых географов Сибири и Дальнего Востока. — Иркутск: Издательство Института географии СО РАН, 2003 г. С. 181-183.

3. Шапарев, Н. Я. Проблемы реализации геоинформационной Интернет-системы природно-ресурсной тематики / Н. Я. Шапарев, А. А. Кадочников, А. А. Гостева, О. Э. Якубайлик // Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф. Проблемы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера: В 3 т. Т. 1.: Тр. Научных конференций. Красноярск: ИВМ СО РАН, 2003 г., с. 244-250.

4. Гостева, А. А. Технологии подготовки и преобразования картографических данных, связанных с природно-ресурсной тематикой / А. А. Гостева М. Г. Ерунова, О. Э. Якубайлик //Проблемы информатизации региона. ПИР-2003': Материалы восьмой Всероссийской научно-практической конференции: В 2-х т. Т. 1. — Красноярск: ИПЦ КГТУ,

2003.-С. 82-86.

5. Куликова, М. В. Привязка космических снимков к географическим координатам, актуализация картографических данных для анализа и эффективного управления территорией / М. В. Куликова, А. А. Гостева // Решетневские чтения: Тезисы докладов VII Всероссийской научной конференции, посвященной памяти Генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева, 10-13 ноября 2003г., г./ СибГАУ — Красноярск, с.78

6. Гостева, А. А. Пространственный анализ природных ресурсов особо-охраняемых территорий с использованием ГИС. / А. А. Гостева, М. Г. Ерунова, М. Г. Садовский. // Совместный выпуск. Вычислительные технологии, т. 9, 2004 г. Вестник КазНУ, №3(42), 2004. - С. 141-146

7. Гостева, А. А. Методики подготовки и преобразования пространственных данных природно-ресурсной тематики/ А. А. Гостева, М. Г. Ерунова // Моделирование неравновесных систем — 2004. Материалы VII Всероссийского семинара, 8-10 октября 2004, ИВМ СО РАН, Красноярск, 207 е., 2004. - С. 44-45

8. Беляков, А. В. Создание динамического интерактивного сайта Государственного природного биосферного заповедника «Центральносибир-ский» / А. В. Беляков, А. А. Гостева, М. Г. Ерунова // VII научное совещание по прикладной географии/ Материалы научного совещания. — Иркутск: Издательство Института географии СО РАН, 233с., 2005 г., с. 225-227

9. Гостева, А. А. Сбор первичной информации для проведения пространственного анализа природных ресурсов заповедника «Центральносибир-ский» / А. А. Гостева, А. В. Беляков, М. Г. Ерунова // VII научное совещание по прикладной географии/ Материалы научного совещания. — Иркутск: Издательство Института географии СО РАН, 233с., 2005. - С. 227-228

10. Ерунова, М. Г. Разработка прикладной геоинформационной системы мониторинга территории ГБЗ «Цснтральносибирский» / М. Г. Ерунова, А. В. Беляков, А. А. Гостева // VII научное совещание по прикладной географии/ Материалы научного совещания. — Иркутск: Издательство Института географии СО РАН, 233с., 2005. - С. 205-206

11. Ерунова, М. Г. Географические и земельно-информационные системы. Ч. 1. Технология создания векторной земельно-кадастровой карты средствами ГИС программы-векторизатора GeoDraw for Windows: Метод, указания / М. Г. Ерунова, А. А. Гостева; Краснояр. гос. аграр. ун — т. -Красноярск, 2004. - 35 с.

12. Ерунова, М. Г. Географические и земельно-информационные системы. Ч. 2. Картографирование средствами инструментальной ГИС Maplnfo: Метод, указания / М. Г. Ерунова, А. А. Гостева; Краснояр. гос. аграр. ун — т. — Красноярск, 2004. — 84 с.

13. Беляков, А. В. Информационное обеспечение системы мониторинга территории государственного природного биосферного заповедника "Цен-тральносибирский" / А. В. Беляков, А. А. Гостева, М. Г. Ерунова // Объединение субъектов Российской Федерации и проблемы природопользования в Приенисейской Сибири (11-13 апреля 2005г.). Материалы докладов межрегиональной научно-практической конференции. — Красноярск: Краснояр. гос. ун-т, 524с., 2005. — С. 275-276.

14. Гостева, А. А. Технология получения и обработки данных со спутника Landsat для задачи обзорного картографирования на примере заповедника «Столбы» / А. А. Гостева, А. А. Кадочников II Проблемы информати-. зации региона. ПИР-2005: Материалы девятой Всероссийской научно-практической конференции: В 2-х т. Т. 1. — Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2005.-С. 107-112.

15. Беляков, А. В. Подготовка и ввод данных в информационно-графическую систему «ТЕРРА» / А. В. Беляков, А. А. Гостева // Про-

блемы информатизации региона. ПИР-2005: Материалы девятой Всероссийской научно-практической конференции: В 2-х т. Т. 1. — Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2005. — С. 101-107.

16. Пономарев, Е. И. Технология обработки данных Terra/MODIS для задачи обзорного картографирования высотно-поясных комплексов (на примере заповедника «Столбы») / Е. И. Пономарев, А. А. Гостева, М. Г. Ерунова, О. В. Дробушевская, Д. И. Назимова // Дистанционные методы в лесоустройстве и учете лесов. Материалы Всероссийского совещания-семинара с международным участием. Красноярск: Институт Леса им. Сукачева СО РАН, 2005. - С. 78-81

17. Erunova, М. G. GIS-aided simulation of spatial distribution of some pollutants at "Stolby" state reservation /М. G. Sadovsky, A. A. Gosteva// [http://xxx.lanl.gov/abs/q-bio.QM/0512024], 2005. - 17p.

18. Гостева, А. А. Геоинформационная система ГПБЗ "Центральносибир-ский" и оценка солености вод на его территории. / М. Г. Ерунова, В. С. Филимонов // IV Всесибирский конгресс женщин-математиков (в день рождения С.В. Ковалевской): Материалы конференции 15-16 января 2006 г. - Красноярск: РИО СибГТУ, 2006. - С. 48-50

19. Erunova, М. G. GIS-aided simulation of spatially distributed environmental processes at "Stolby" state reservation / M. G. Sadovsky, A. A. Gosteva // Ecological Modelling, issue 195/3-4, 2006.-11 p.

Соискатель:

Подш я 2006 г.

Тираж 100 экз. Заказ Отпечатано в типографии КГТУ 660074, Красноярск, Киренского 26

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Гостева, Анна Александровна

Введение.

1 Проблемы создания региональных геоинформационных систем мониторинга природной среды.

1.1 Региональные системы мониторинга природной среды.

1.2 Программное обеспечение и технологии систем мониторинга природной среды.!.'.

1.3 Пространственные данные и цифровые модели территорий.

1.4 Методы картографического моделирования и геоинформационный анализ.:.

1.5 Выводы.

2 Методы и технологии создания картографического информационного обеспечения региональных систем.

2.1 Анализ структуры исходных данных и их соответствия требованиям региональной системы.

2.2 Особенности использования ГИС-технологий при подготовке векторных данных.

2.2.1 Преобразование бумажных источников в цифровую модель территории.

2.2.2 Преобразование векторных данных в единую картографическую основу.

2.2.3 Преобразование карт: привязка к координатной сетке.

2.2.4 Подготовка семантических данных, их предобработка, предварительный анализ для создания, обновления и поддержки единой картографической основы.

2.3 Особенности использования данных дистанционного зондирования и способов их обработки.

2.4 Публикация картографических данных в сети Интернет.

2.5 Выводы.

3 Построение комплексных цифровых моделей природных территорий.

3.1 Особенности создания комплексных цифровых моделей природных территорий Красноярского края.

3.2 Актуализация цифровой модели заповедника «Столбы» по данным дистанционного зондирования.

3.2.1 Объект исследования.

3.2.2 Использование космических снимков.

3.3 Создание цифровой модели Государственного природного биосферного заповедника «Центральносибирский».

3.3.1 Объект исследования.!.

3.3.2 Создание цифровой модели территории заповедника.

3.3.3 Актуализация цифровой модели территории.I.

3.4 Природные ресурсы Красноярского края.

3.4.1 Объект исследования.

3.4.2 Тематическое картографирование.

3.4.3 Формирование раздела «Земельные ресурсы».

3.5 Выводы.

4 Методы представления данных экспериментальных измерений и ДЦЗ в региональных геоинформационных системах.

4.1 Оценка загрязнения оз. Шира по данным биолюминесцентного анализа

4.1.1 Объект исследования.

4.1.2 Создание локальной геоинформационной системы оз. Шира.

4.1.3 Построение карт изолиний распределения по данным биолюминесцентного анализа.

4.2 Изучение особенностей водно-солевого режима рек Енисейского бассейна.

4.2.1 Объект исследования.

4.2.2 Измерение значения солености.

4.2.3 Результаты обработки показателей значения солености и анализ солености.

4.3 Построение карт и расчет площади водосборных территорий рек заповедника «Центральносибирский».

4.4 Исследование отдельных ландшафтно-флористических особенностей заповедника «Центральносибирский».

4.4.1 Анализ территории Центрального лесничества.

4.5 Мониторинг сезонной динамики изменения площадей высотно-поясных комплексов заповедника «Столбы» по ДЦЗ.

4.6 Выводы;.;.

5 Подготовка информационного обеспечения региональных систем мониторинга природной среды.

5.1 Карты муниципальных образований для АИС «Градостроительный кадастр».

5.1.1 Задачи проекта и особенности использования данных дистанционного зондирования.

5.1.2 Формирование картографической основы.

5.2 Атлас социально-экономических карт Ханты-Мансийского АО для системы «ТЕРРА».

5.2.1 Информационно-графическая система «ТЕРРА».

5.2.2 Систематизация данных и составление атласа социально- . , экономических карт.

5.3 Карты лесоустройства заповедника «Центральносибирский».

5.4 Картографическое обеспечение геоинформационной Интернет-системы «Природные ресурсы Красноярского края».

5.4.1 Атлас тематических карт.

5.4.2 Геоинформационный веб-сайт.

5.5 Геоинформационный веб-сайт заповедника «Центральносибирский»

5.6 Выводы.

Введение 2006 год, диссертация по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, Гостева, Анна Александровна

Геоинформационные системы (ГИС) стали одним из самых широко используемых инструментов анализа пространственно распределённых данных и исследования систем с пространственно распределёнными процессами; они применяются в различных сферах деятельности человека — от городского планирования до прогнозирования районов бедствий во время стихийных катаклизмов. Широкое применение ГИС нашли и в задачах охраны окружающей среды многих стран и регионов мира. В сочетании с другими методами, ГИС служат эффективным дополнением в работе по разным экологическим и природоохранным проектам, и их часто используют для создания баз данньлх по редким видам, сообществам и ресурсам, для моделирования последствий антропогенного пресса на чувствительные экосистемы, для разработки планов неистощающего землепользования. Быстрый рост числа задач, решаемых с помощью ГИС, растет, соответственно, и разнообразие различного программного обеспечения ГИС.

При работе фактически с любой ГИС подготовка и преобразование данных является одним из трудоемких, но необходимых этапов для создания векторных моделей любых территорий. Территориально распределенные объекты, связанные с природно-ресурсной тематикой, требуют отдельного комплексного подхода. Это обусловлено разнородностью и разномасштабно-стью данных, которые специфичны по своей структуре. Процессы преобразования этих данных в векторные обеспечены множеством различных технологий. В частности, выполнение настоящей работы потребовало тщательного изучения различных программных продуктов ГИС, их особенностей и недостатков. В результате были отработаны технологии обработки различных картографических данных (бумажные карты, различные готовые цифровые карты, не удовлетворяющие по какому-либо критерию, космические снимки и т.д.).

Предлагаемые в диссертации технологические решения были получены 5 в процессе разработки следующих проектов: карты административно-территориальных образований (ATO) Красноярского края (насчитывающей 606 ATO уровня сельсовета и 1755 населенных пунктов по краю); карты Ханты-Мансийского автономного округа; набор тематических карт по исследованию озера Шира; карты физико-географических характеристик и экологического состояния природного заповедника «Столбы»; карты заповедника «Цен-тральносибирский» [17; 19; 23; 92]. Предлагаемые технологии не являются единственно возможными при подготовке геоданных", однако они являются наименее трудоемкими, легкими в реализации и доступными для пользователей самого разного уровня подготовки.

Актуальность темы исследования

Чрезвычайно протяжённая территория, климатическое, ландшафтное природно-ресурсное разнообразие диктуют необходимость использования пространственных методов и средств анализа. Уровень развития современных геоинформационных технологий позволяет использовать их и как место для хранения, обработки и презентации тематических карт мониторинга, и как инструмент анализа качества природной среды. Соединение технологий ГИС и Интернет позволяет построить системы сбора и обработки данных в региональном масштабе.

В условиях административной и финансово-экономической реформ и в связи с вводом в действие нового Федерального закона о местном самоуправлении задачи мониторинга и контроля использования земельных вод6 ных, лесных и других природных ресурсов получают новую систему показателей, индикаторов и становятся востребованными на уровне поселений.

Таким образом, резко выросла потребность в сравнительно простом, недорогом и эффективном методе формирования пространственных данных мониторинга природной среды и контроля использования ее ресурсов. Такую возможность предоставляют информационные технологии, что й определяет практическую актуальность научно-исследовательских работ, посвященных методическому и информационному обеспечению региональньлх геоинформационных систем мониторинга природной среды. Их научную значимость подчеркивает тот факт, что геоинформатика, как наука, находится на стадии становления и активно нуждается в собственных методах исследования и технологиях формирования геоданных, описывающих объекты исследования.

Цель работы - разработка методического и информационного обеспечения региональных геоинформационных систем мониторинга природной среды для объектов исследования различного типа - от отдельного заповедника до территориальных образований уровня субъекта федерации, на основе современных информационных технологий и комплексного подхода к анализу характеристик природной среды, с использованием методов картографического моделирования и геоинформационного анализа.

В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:

- Исследование различных характеристик состояния природной среды в научно-исследовательских задачах диагностики, мониторинга и эффективного природопользования: о анализ экологического состояния вод оз. Шира по интегральному показателю на основе биолюминесцентных тестов; о анализ водно-солевого режима рек Енисейского бассейна заповедника «Централ ьносибирский»; о создание комплексной цифровой модели заповедника «Центрально-сибирский» на основе материалов лесоустройства и других картографических материалов, а также данных экспедиционных исследований; о определение сезонной динамики изменения площадей различных типов лесной растительности заповедника «Столбы» по данным дистанционного зондирования. Научная новизна работы

2. Предложена технология актуализации существующих цифровых моделей природных территорий с помощью позиционированных фотографий

- обзорных изображений (preview) космических снимков высокого разрешения (Landsat, Ikonos и QuickBird), бесплатно доступных в сети Интернет.

- биолюминесцентного анализа для оценки загрязнения поверхностных вод,

- измерений солености с целью выявления гидрохимических характеристик речной сети и проведения первичного экологического мониторинга водосборной территории.

Практическая значимость

Апробированы на практике технологические решения для создания (актуализации, наполнения данными) геоинформационных систем анализа и моделирования территориально-распределенных процессов. Разработки были использованы в прикладных проектах и позволили получить следующие результаты:

- геоинформационная Интернет-система «Природные ресурсы Красноярского края»;

- информационно-аналитический портал «Градостроительный кадастр» (заказчик— Комитет по градостроительству и архитектуре Красноярского края);

- веб-сайт заповедника «Центральносибирский».

Для всех указанных информационных систем предложенные в диссертационной работе технологии и методики позволяют пользователю далее самостоятельно продолжать работу по наполнению соответствующих баз данных, в том числе обновлению и актуализации картографического материала, извлечению новых знаний. Все развитые в работе методы обладают высоким уровнем универсальности, а технологические решения - простотой в использовании; это позволило их применить при реализации ряда коммерческих проектов фирмы ТОРИНС и хоздоговорных работ Института вычислительного моделирования СО РАН.

Положения, выносимые на защиту:

- Методика подготовки единой картографической основы для многопользовательских Интернет-систем анализа и интерактивного моделирования состояния природных объектов и ресурсов территорий. Методика формирует основу для проведения исследований природной территории: построение комплексной цифровой модели, картографическое моделирование и создание геоинформационных Интернет-атласов;

- Технология актуализации цифровых моделей природных территорий с помощью позиционированных фотографий - обзорных изображений (preview) для космических снимков высокого разрешения (Landsat, Ikonos и QuickBird), бесплатно доступных в сети Интернет;

- Методы представления данных экспериментальных измерений в геоинформационных системах мониторинга качества окружающей среды и оценки водных ресурсов и результаты, полученные на их основе.

Апробация работы

Основные теоретические результаты, отдельные положения, а также результаты конкретных прикладных исследований и разработок были представлены на Конференции молодых учёных ИВМ СО РАН (Красноярск, 2002 г.), на XV конференции молодых географов Сибири и Дальнего Востока (Иркутск, 2003 г.), на конференции «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» (Красноярск, 2003 г.), на Всероссийских научно-практических конференциях «Проблемы информатизации региона» (Красноярск, 2003, 2005 гг.), на международной конференции «Вычислительные и информационные технологии в науке, технике и образовании» (Алматы, 2004 г.), на VII Всероссийском семинаре «Моделирование неравновесных систем» (Красноярск, 2004 г.), на VIII научном совещании по прикладной географии (Иркутск, 2005 г.) на Всероссийском совещании

10 семинаре с международным участием «Дистанционные методы в лесоустройстве и учете лесов» (Красноярск, 2005) и на IV Всесибирском конгрессе женщин-математиков (Красноярск, 2006).

Публикации и личный вклад автора

По результатам диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, 2 методических пособия для студентов, обучающихся по специальностям «Землеустройство», «Земельный кадастр», «Городской кадастр». Исследования, выполненные в ходе диссертационной работы, были поддержаны Российским фондом фундаментальных исследований (гранты РФФИ-ККФН 03-07-96001-р2003енисейв и РФФИ-ККФН 03-07-96001).

В проекте ГИС «Центральносибирский» автор участвовал в постановке задачи, выборе методов и технологий создания комплексной цифровой модели территории заповедника. По разработанной автором методике создана векторная топографическая основа масштабом 1:200 000, включающая в себя 22 слоя, а также проведена работа по оцифровке планов лесонасаждений Комсинского и Центрального лесничеств.

Структура и объем работы

Заключение диссертация на тему "Методическое и информационное обеспечение региональных геоинформационных систем мониторинга природной среды"

5.6 Выводы

Для картографического наполнения ИГС «ТЕРРА» была проведена систематизация и каталогизация имеющихся карт, а также карт предоставленных комитетом по. информационным ресурсам Администрации Губернатора Ханты-Мансийского автономного округа — Югры. Созданы карты для каждого района в отдельности и общая карта округа. Общая карта ХМАО включает слои: граница ХМАО, границы районов ХМАО, растительность, гидрографическая сеть, дорожная сеть, охранные территории, населенные пункты.: Карта выполнена в нескольких вариантах с различной степенью детализации объектов. Также округа созданы два типа карт-основ для тематического картографирования включающего тематическую раскраску, построение диаграмм и гистограмм. Для каждого из девяти районов ХМАО были созданы карты, собранные из следующих слоев: граница района, административное, деление района, населенные пункты, лицензионные участки, родовые угодья, охранные территории, транспортные узлы, дорожная сеть, гидросеть, болота, трубопроводы. Для каждого района создано по 5 карт: общая карта района; карта административного деления района; карта района с делением по лицензионным участкам; карта района с делением по родовым угодьям; контурная -карта района.

Для ГИС ГПБЗ «Центральносибирский» создана цифровая топографическая основа, включающая 16 векторных слоев. Проведены работы по оцифровке планов лесонасаждений Комсинского и Центрального лесничества. Для каждого лесничества были получены следующие слои: выделы (13257 объектов), квартальная сеть (476 объектов), граница лесничества, гидрографическая сеть. Для каждого слоя созданы атрибутивные таблицы. Для слоя выде-лов хранится информация о номере квартала и номере выдела возрасте, бонитете, площади выдела, породе деревьев, группе возраста, что позволяет наполнять данный слой таксационными описаниями.

Заключение

1. Разработана методика создания картографического информационного обеспечения региональных геоинформационных систем мониторинга природной среды, с учетом требований систем интерактивного моделирования и анализа пространственно-распределенных процессов и геоинформационных Интернет-атласов. Методика основана на использовании программных средств и технологий ГИС и обеспечивает решение задач визуализации и интерпретации данных, аналитических исследований различных характеристик территории, а также позволяет автоматизировать и качественно улучшить контроль за состоянием природных ресурсов.

3. Предложена технология актуализации существующих цифровых моделей природных территорий с помощью обзорных изображений (preview) космических снимков высокого разрешения (Landsat, Ikonos и Quick Bird), бесплатно доступных в сети Интернет. Показано, что эти обзорные изображения можно использовать для уточнения цифровых картографической основы в масштабах от 1:25 ООО и выше.

- классификация по степени солености крупных рек заповедника «Цен-тральносибирский» и результаты геоинформационного анализа, на основе которого показана благополучность состояния экосистемы заповедника;

- карты распределения интенсивности свечения биолюминесцентных систем оз. Шира, характеризующие экологическое состояние его водных ресурсов.

5. Получены результаты исследования ряда характеристик природной среды заповедных территорий, полученные методами геоинформационного анализа, направленные на изучение и анализ отдельных особенностей ландшафта и лесной растительности заповедника «Центральносибирский», выявление статистических связей между этими особенностями, сезонной динамики изменения различных типов лесной растительности в заповеднике «Столбы».

6. Выполнение научно-исследовательских и хоздоговорных работ позволило получить прикладные результаты - информационное обеспечение для ряда разработанных и внедренных систем:

- геоинформацйонная Интернет-система «Природные ресурсы Красноярского края»,

- информационно-аналитический портал «Земельные ресурсы Красноярского края» Комитета по земельным ресурсам и землеустройству Красноярского края,

- информационно-аналитический портал «Градостроительный кадастр» Комитета по градостроительству и архитектуре Красноярского края;

- информационно-графическая система анализа региональной инфраструктуры «ТЕРРА» для Ханты-Мансийского автономного округа.

Библиография Гостева, Анна Александровна, диссертация по теме Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

1. Антропов, Л. И. Теоретическая электрохимия. / Л.И. Антропов // М.: «Высшая школа». 1969. 509 с.

2. Артемов, И. А. Катунский заповедник. / И.А. Артемов, Л.В. Байлагасов, E.H. Бочарова, Е.Ю. Диев, М.Ю. Пальцын // Заповедники России. Заповедники Сибири. II. М., Логата, 2000. с. 122-128'.

3. Баранов, Ю. Б. Геоинформатика. Толковый словарь основных терминов. / Ю.Б. Баранов, A.M. Берлянт, A.B. Кошкарев, Б.Б. Серапинас, Ю.А Филиппов//М.: ГИС-Ассоциация, 1999. 204 с.

4. Берлянт, А. М. Геоинформационное картографирование: Научное издание. / A.M. Берлянт // М.: МГУ, 1997 - 64 с.

5. Берлянт, А. М. Картография: Учебник для студентов вузов, обучающихся по географическим и экологическим специальностям. / A.M. Берлянт //- М.: Аспект Пресс, 2001- 336 с.

6. Бояндин, А. Н. Зависимое от минеральных солей ингибирование свечения люминесцентного микроорганизма Escherichia coli Z9051 / А.Н. Бояндин, Л.Ю. Попова//Биофизика. 2001. Т. 46, № 2. С. 251-255.

7. Брехунцов, А. М. Использование ГИС в Сибирском Научно-Аналитическом Центре Электронный ресурс. /Брехунцов А.М, Дьячков С.А., Монастырев С.В., Шпильман . А.В// <http://www.dataplus.ru/industries/12kartgd/sibir.htm>

8. Воробьев, В. В. Проблемы и перспективы комплексного эколого-гёографического картографирования Сибири / В.В. Воробьев, А.В. Белов, Б.А. Богоявленский и др. // География и природные ресурсы. — 1987. -№3.-С.10-18. " ■

9. ГОСТ Р 51353-99 «Геоинформационное картографирование. Метаданные электронных карт. Состав и содержание». •

10. ГОСТ Р 51605-2000 «Карты цифровые топографические. Общие требования».

11. ГОСТ Р 51608-2000 «Карты цифровые топографические. Требования к качеству».

12. ГОСТ Р 52155-2003 «Географические информационные системы федеральные, региональные, муниципальные. Общие технические требования».

13. ГОСТ Р 51232-98. «Вода питьевая. Общие требования к организации и методам контроля качества».

14. Гостева, A.A. Разработка технологии создания rMC-Web-сайта / A.A. Гостева // Материалы конференции молодых ученых Института вычислительного моделирования СО РАН. Красноярск: ИВМ СО РАН, 2002. - С. 4-6.

15. Ерунова, М.Г. Географические и земельно-информационные системы. 4.2. Картографирование средствами инструментальной ГИС Mapinfo: Метод, указания / М.Г. Ерунова, A.A. Гостева// Краснояр. гос. аграр. ун — т. Красноярск, 2004. - 84 с. ;

16. Ерунова, М.Г. Геоинформационный анализ и оценка состояния природных ресурсов государственного заповедника «Столбы»: Дис. . канд. техн. наук: 05.11.13. Красноярск: КГТУ, 2003. 160 с.

17. Ерунова, М.Г. Создание геоинформационной системы Красноярского заповедника «Столбы». / М. Г. Ерунова // Заповедное Дело. Науч.-метод. записки комиссии по заповедному делу. М. 2001. Вып. 9. С. 76-80.

18. Жданов, Н.Д Классификатор картографической информации цифровой карты (F1M) / Н.Д. Жданов, Е.А. Жалковский, В.Н. Александров., Л.Г. Палло // Федеральная служба геодезии и картографии России, 1993-34 с.

19. Жданов, Н.Д. Описание обменного формата интегрального файла цифровой картографической информации / Н.Д. Жданов, Е.А. Жалковский, В.Н. Александров., Л.Г. Палло // Федеральная служба геодезии и картографии России, 1997. - 78 с.

20. Замай, С.С. Программное обеспечение и технологии геоинформационных систем./ С,С. Замай, О.Э. Якубайлик // Новосибирск: Наука, Сиб. предприятие РАН, 1998. С. 112.

21. Заповедник «Денежкин Камень». Научная деятельность Электронный ресурс. Информационно-справочная система ООПТ России. -<http://reserves.biodiversity.ru/denkam/science.html> (15.06.2005)

22. Зенин, A.A. Гидрохимический словарь. / A.A. Зенин, Н.В. Белоусова // JL: Гидрометиздат. 1988. 239 с. .

23. Калинин, В.Г. Гидрологическая геоинформационная система «Бассейн Боткинского водохранилища» / В.Г. Калинин, C.B. Пьянков // Метеорология и гидрология 2002 № 5

24. Каминский, B.C. Состав и качество поверхностных вод: Понятие "качество" воды / B.C. Каминский // Основы прогнозирования качества поверхностных вод М.: Наука, 1982. С. 6-22

25. Капралов, Е.Г. Основы геоинформатики: В 2 кн. Кн. 1: Учеб. пособие для студ. вузов; Под ред. B.C. Тикунова. / Е.Г. Капралов, A.B. Кошкарев, B.C. Тикунов и др. М.: Издательский центр «Академия» - 2004. - 352 с.

26. Капралов, Е.Г. Основы геоинформатики: В 2 кн. Кн. 2: Учеб. пособие для студ. вузов; Под ред. B.C. Тикунова. / Е.Г. Капралов, A.B. Кошкарев, B.C. Тикунов и др. М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 480 е., 8. с. цв. ил.

27. Квашнина, A.A. Мониторинг природных комплексов в заповеднике "Денежкин Камень Электронный ресурс. / АА. Квашнина // ArcReview, № 4(31) 2004. <http://www.dataplus.ru/Arcrev/Number 31/3 monitor.htm>

28. Кошкарев, A.B. Региональные геоинформационные системы./ A.B. Кошкарев, В.П. Каракин // Отв. ред. П.Я. Бакланов. — М: Наука, 1987.- 126 с.

29. Кошкарев, A.B. Тикунов B.C., Геоинформатика / A.B. Кошкарев, B.C. Тикунов //- М., Картгеоцентр-Геодезиздат, 1993. 348 с.

30. Курс физической химии М.: "Химия". 1973. 623 с.

31. Методические требования по созданию цифровых графических моделей территорий (ЦГМТ) для целей ведения государственного земельного кадастра // КРКЦ «Земля», Красноярск, 2002. 88 с.

32. Назимова, Д.И. Черневые темнохвойные леса на юге Красноярского края и проблемы их обзорного картографирования / Д.И. Назимова, Е.И. Пономарев, Н.В. Степанов, Е.В. Федотова // Лесоведение, 2005, №1.

33. Назимова, Д. И. Использование спутниковой информации при анализе высотной поясности лесного покрова гор Южной Сибири / Д.И. Назимова, Н.П. Поликарпов, А.И. Сухинин и др. // География и природные ресурсы, 2000, №4.

34. Наумова, В.В. Концепция создания региональных геологических ГИС (на примере ГИС «Минеральные ресурсы, минералогенезис и тектоника Северо-Восточной Азии»): автореферат . доктор геолого-минералогических наук: 25.00.35

35. Николаев; В.А. Космическое ландшафтоведение / В.А. Николаев // Учебное пособие для студентов географических факультетов и педагогических, вузов. М.: Издательство Московского Университета, 1993.81 с.

36. ОСТ 68-3.2-98 Карты цифровые топографические Система классификации и кодирования цифровой картографической информации. Общие требованиям., Госгисцентр, 1998г.

37. Официальный сайт иМИ МарЗегуег. Электронный ресурс. -<http://mapserver.gis.urnn.edu/> (11.11.2004)

38. Официальный сайт биосферного заповедника «Центральносибирский», Электронный ресурс. <http://www.centralsib.ru> (11.01.2004)

39. Официальный сайт Кату некого биосферного заповедника Электронный ресурс. <http://www.katunsky.h 1 .ги/ги5^епсе/> (12.02.2005)

40. Официальный сайт компании «Прогноз» Электронный ресурс. -<http://www.prognoz.ш/desigion/region.asp■htm>П 6.09.2005)

41. Официальный сайт Межрегиональной общественной организации содействия развитию рынка геоинформационных технологий и услуг «ГИС-Ассоциация» Электронный ресурс. -<http://www.geomarket.org/18121.html > ПЗ. 03.2006)

42. Официальный сайт Центрально-Лесного природного биосферного заповедника, Электронный ресурс. <http://www.clgz.ru/gis.htm> (11.11.2005)

43. Охраняемые природные территории бассейна озера Байкал Электронный ресурс. <http://www.baikalia.ru/html/opt/8a.htm> (16.09.2003)

44. Постановление Правительства Российской Федерации № 370 от 22 июля 2004 г. «Об утверждении положения о Министерстве природных ресурсов Российской»

45. Постановление Правительства Российской Федерации от 16 июня 2004 г. № 282 «Об утверждении положения о Федеральном агентстве водных ресурсов»

46. Постановление Правительства Российской Федерации от 16 июня 2004 г. № 283 «Об утверждении положения о Федеральном агентстве лесного хозяйства»

47. Постановление Правительства Российской Федерации от 17 июня 2004 г. № 293 «Об утверждении положения о Федеральном агентстве по недропользованию»

48. Постановление Правительства Российской Федерации от 30 июля 2004 г. № 400 «Об утверждении положения о Федеральной службе по надзору в сфере природопользования»

49. Разов, В.П. Картографические исследования природных ресурсов / В.П. Разов // Киев: Научная Мысль, 1989. 180 с.

50. Реймерс, Н.Ф. Особо охраняемые природные территории / Н.Ф. Реймерс, Ф.Р. Штильмарк // М.: Мысль, 1978. 295 с. •

51. Савельев, А. С. Аппаратно-программный комплекс обработки цифровых карт территориального комплексного кадастра природных ресурсов

52. Красноярского края: Дне. . канд. техн. наук: 05.11.13. Красноярск: КГТУ, 2003. 181 с.

53. Сайт компании Space Imaging. Электронный ресурс. — <http://carterraonline.spaceimaging.com/>( 13.10.2001 )

54. Сайт Международного общества исследователей соленых озер (МОИСО) «Сибирская группа» Электронный ресурс. -<http://www.ibp.ru/lakes/saltlakes rus.shtml> ( 17.09.2005)

55. Сайт организации Open Geospatial Consortium. Электронный ресурс. -<http://www.opengis.org/> (10.12.2005)

56. Сербенюк, С.Н. Картография и геоинформатика их взаимодействие / С.Н. Сербешок // М.,1990. - 159 с.

57. Сервер WMS Global Mosaic. Электронный ресурс. — <http://wms.jpl .nasa.gov>( 12.12.2005)

58. Сервер Иркутского регионального центра геоинформационных технологий СО РАН Электронный ресурс. <http://gisnews.icc.ru> (13.05.2004)

59. Условные знаки для топографических планов масштабов 1:5000, 1:2000, 1:1000, 1:500, Главное управление геодезии и картографии при Совете Министров СССР М., Недра, 1989 г.

60. Федеральный закон «Об охране окружающей среды» Принят Государственной Думой 20 декабря 2001 года Одобрен Советом Федерации 26 декабря 2001 года Глава 1, статья 1

61. Хатчинсон, Д. Лимнология /Д.Хатчинсон// М.: «Прогресс», 1969. 591 с.

62. Цветков, В.Я. Геоинформационные системы и технологии / В.Я. Цветков // М.: Финансы и статистика, 1998. 288 с.146

63. Чебыкин, B.JI. «Развитие геоинформационной системы Пермской области» / В.Л. Чебыкин, Ю.Б. Щербинин // Федеративные отношения и региональная социально-экономическая политика. -М., 1999. -№ 7. С.96

64. Чеха, В.П. Геоинформационная Интернет-система «Природные ресурсы Красноярского края» / В.П. Чеха, Н.Я. Шапарев, О.Э. Якубайлик, А.А. Кадочников //. Вычислительные технологии. 2003, Т.8. С. 70-81

65. Шайтура, C.B. Геоинформационные системы и методы их создания. / C.B. Шайтура // Калуга, из-во Н.Бочкаревой, 1998.252 с.

66. Широкова, С.Л. Информационные технологии в решении экологических проблем / С.Л. Широкова // Сибирский экологический журнал. 1997. -Т.4.-с. 229-234

67. Шустров, Д Цифровые карты Роскартографии в формате Arclnfo Электронный ресурс. / Шустров Д. // ArcReview N1(16) 2001 г. <http://www.dataplus.ru/ARCREV/Number 16/3 RusMap.htm> (25.02.2004).

68. Экологический атлас Государственного природного заповедника «Столбы» Электронный ресурс. <http://stolby.torins.ru>

69. Юркина, М.И. Действующие системы координат в России / М.И. Юрки-на, Л.И.Серебрякова // Известия высших учебных заведений. Раздел геодезия и аэрофотосъемка. 2001. -№3. С. 40-53.

70. Якубайлик, О.Э. Методы и приемы пространственного анализа в геоинформационных системах / О.Э. Якубайлик // Учебное пособие Красноярск: Издательство КрасГУ, 2001. - 140 с.

71. Alberti, M. Application of GIS to spatial analysis of mesofault populations / Mauro Alberti // Computers & Geosciences Volume 31, Issue 10 , December 2005, Pages 1249-1259

72. Beaujardiere, J. OpenGIS Web Map Service (WMS) Implementation Specification. Электронный ресурс. / Jeff de La Beaujardiere // Open Geospatial Consortium <http://portal.opengeospatial.org/files/7artifact id=5316> (14.12.2005)

73. Cox, S. OpenGIS Geography Markup Language (GML) Encoding Specification. Электронный ресурс. / Simon Cox, Paul Daisey, Ron Lake, Clemens Pórtele, Arliss Whiteside // Open Geospatial Consortium -<http://portal.opengeospatial.org/files/7artifact id=470Ó>

74. Erunova, M. G. GIS-aided simulation of spatially distributed environmental processes at "Stolby" state reservation / M. G. Erunova, M. G. Sadovsky, A. A. Gosteva//Ecological Modelling, issue 195/3-4, 2006. 11 p.

75. Griffith D. Toward a theory of spatial statistics./ Griffith D. // Geographical Analysis. 1980. - P.325-339.

76. Klajnsek, G. Merging polygons with uncertain boundaries / Gregor Klajnsek, Borut Zalikl // Computers & Geosciences 31 (2005) 353-359

77. MatjHek L. Ecological modelling of nitrate pollution in small river basins by spreadsheets and GIS / Lubo MatjHek, Libue Beneov, Jaroslav Tonika// Ecological Modelling Volume 170, Issues 2-3,15 December 2003, Pages 245263

78. NASA Jet Propulsion Laboratory. California Institute of Technology. Электронный ресурс. <http://onearth.ipl.nasa.gov/> (21.12.2005)

79. Nemeth, T. Elaboration of a complex GIS application in a catchment area / Nemeth T, Szabo J, Pasztor L, Bakacsi Z. // Water Sei Technol. 2002;45(9): 133-40

80. Parka, S. Impacts of hydrologie soil properties on drought detection with MODIS thermal data / Sunyurp Parka, Johannes J. Feddemab, Stephen L. Egbert//Remote Sensing of Environment 89 (2004) 53-62

81. Scott L.M. Identification of GIS attribute error using exploratory data analysis. / Scott L.M. // Prof. Geogr. 1994. -46, N 3.- P. 378- 386.

82. Stevensa,N. NASA EOS Terra ASTER: Volcanic topographic mapping and capability / Nicki F. Stevensa, Harold Garbeilb, Peter J. Mouginis-Mark. // Remote Sensing of Environment 90 (2004) 405—414

83. Vetrova, E.V. Bioluminescent characteristics map of Shira lake water / Vet-, rova E.V., Kratasyuk V.A., Kudryasheva N.S.// Aquatic Ecology. 2002. V. 36, No. 2. P. 309-315.

84. Vretanos, P. OpenGIS Web Feature Service Implementation Specification. Электронный ресурс. / Peter Vretanos // Open Geospatial Consortium -<https://portal.opengeospatial.org/files/7artifact id=8339> (14.12.2005)

85. Wanga, X. A river water quality model integrated with a web-based geographic information system / Xinhao Wanga, Mike Homerb, Scott D. Dyerb, Charlotte White-Hullb, Changming Du // Journal of Environmental Management 75 (2005) 219-228

86. Weis, M. A Framework for GIS and Imagery Data Fusion in Support of Cartographic Updating / M. Weis, S. Muller, С. Е. Liedtke, M. Pähl. // Information Fusion Volume 6, Issue 4 , December 2005, P. 311-317

87. Yu-Ping Chin Abundance and properties of dissolved organic matter in pore waters of a freshwater wetland / Yu-Ping Chin, Samuel J. Traina, Cathleen R. Swank // Limnology Oceanographer 43(6), 1998, P. 1287-1296

88. Zhu, X. A Knowledge-Based Systems Approach to Design of Spatial Decision Support Systems for Environmental Management / Xuan Zhu, Richard G. Healey, Richard J. Aspinall. // Environmental Management Volume 22, Number 1 January 1998-P. 35-48

Похожие работы

Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы
05.11.00