CC BY
74
Baiotsyrenov EduardAyurovick - lead engineer of Baikal institute of nature management of the Siberian Branch of Russian Academy of Science (Russia, Ulan-Ude), 670047, Ulan-Ude, Sakhyanova str., 8, phone: (3012)433635, email: [email protected]
УДК: 004.9 А.Ю. Гармаев
К ВОПРОСУ ОБ ИЗУЧЕНИИ ПРИРОДНЫХ КОМПЛЕКСОВ ОСОБО ОХРАНЯЕМЫХ ПРИРОДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ GPS И GIS-ТЕХНОЛОГИЙ
В статье рассмотрены актуальные вопросы использования новейших технологий в изучении природных комплексов особо охраняемых природных территорий.
Ключевые слова: глобальная навигационная система, охраняемые природные территории, природные комплексы, GPS-приемники, GIS-технологии.
A.Yu. Garmaev
TO THE QUESTION OF STUDYING OF NATURAL COMPLEXES OF ESPECIAL PROTECTED NATURAL TERRITORIES WITH USE OF GPS AND GIS TECHNOLOGIES
The article deals with the urgent questions of use of the newest technologies in studying of natural complexes of especial protected natural territories.
Key words: global navigating system, protected natural territories, natural complexes, GPS-receivers, GIStechnology.
С каждым годом все активнее внедряются в практику современные научные методы исследований, основанных на новейших достижениях инженерных и компьютерных технологий. Появление спутниковой навигации открыло новую эпоху в изучении природных экосистем. Полученные наземные данные находят широкое применение для построения геоинформационных систем.
Актуальным в эпоху глобальных антропогенных преобразований природных экосистем планеты является сохранение и изучение эталонных, малонарушенных участков суши и акваторий, представленных в особо охраняемых природных территориях.
Несомненно, для решения подобных задач требуется картографическая основа в цифровом виде. В настоящее время существует несколько основных способов создания цифровых пространственных данных: оцифровка твердых носителей (планшетов) с помощью дигитайзера, векторизация растровых изображений существующего материала, векторизация аэро-, фото- и спутниковых снимков, топографическая съемка с использованием GPS-приборов. Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки.
Вследствие достаточно быстрого изменения ситуации природного характера данные топографических съемок с использованием традиционных приборов могут устареть еще на этапе обработки данные, особенно при работе с большими территориями. Частая аэрофотосъемка, позволяющая получать свежие данных слишком
дорога и не решает всех вопросов при использовании ее в процессе создания цифровых данных.
Спутниковая радионавигационная система или, как она еще называется, Глобальная система определения местоположения GPS (Global Position System), обеспечивает высокоточное определение координат и скорость движения объектов в любой точке земной поверхности, в любое время суток, в любую погоду, а также точное определение времени. Практика мониторинга состояния компонентов природной среды особо охраняемых природных территорий с использованием новейших технологий у нас делает только первые шаги (3).
Особо охраняемые природные территории, законодательно изъятые из хозяйственного использования, являются уникальными объектами для проведения долговременного мониторинга природных явлений и процессов. В этом плане территории заповедников выступают своеобразным эталоном оценки разнообразных форм антропогенного преобразования природы.
Во многих заповедниках России накоплены ценные научные данные, содержащие информацию о многолетней динамике биотических и абиотических компонентов природных комплексов (климата, почв, фито- и зооценозов и пр.). Как правило, такие базы данных состоят из неупорядоченных или упорядоченных определенным образом символьно-числовых массивов и картографических материалов, хранящихся на бумажной основе, что препятствует оперативному доступу к ним, затрудняет аналитическую обработку и не
исключает возможность утраты. Сейчас наиболее актуальна проблема доступа к этой информации не только отечественного, но и мирового научного сообщества. Для этого надо решить, как минимум, такие вопросы, как обеспечение надежного хране-
ния данных, возможность быстрого получения информации и анализа данных, что позволит реализовать современные геоинформационные системы, интегрирующиеся в единую систему цифровой информации при помощи специальных приборов для фиксации координат на местности: GPS, Глонасс-приборы (2).
Система спутниковой навигации GPS и Гло-насс характеризует местоположение как самих земельных участков, так и расположение на них зон ограничения. Соответствующие сведения должны быть представлены в виде, пригодном для их последующей обработки и формирования на их основе цифровых данных.
Одним из способов является описание видимой поверхности, включая поверхности морей и океанов, равнин, склонов холмов и гор. Другой способ - это измерение силы тяжести. Эти два подхода объединяются, если речь идет, например, о том, что высота Эвереста составляет 8 848 метров над уровнем моря.
Системы координат описывают референцную модель Земли, но этого не достаточно для детального описания назначенной области. Выбрав систему координат, вам необходимо решить, в каком виде нужно отобразить точку земной поверхности.
В основу геодезической системы координат положена поверхность общего земного эллипсоида, центр которого совпадает с центром масс Земли, и система координатных линий, которыми являются меридианы и параллели.
Линии меридианов получаются путем сечения поверхности общего земного эллипсоида плоскостями, проходящими через ось его вращения, а линии параллелей - путем сечения поверхности эллипсоида плоскостями, перпендикулярными к этой оси.
Существует множество государственных систем координат, параметры которых заданы на основе известных ИГД и проекций. Например, системы СК-42, СК-63, U.S. State Plane, Australian Map Grid, New Zealand Map Grid, Ordinat Survey of Great Britain и многие другие. При этом используются проекция Гаусса-Крюгера, Поперечная проекция Меркатора, а для Аляски (которая имеет вытянутую, узкую форму) - Косоугольная проекция Меркатора. В Республике Бурятия в основном применяются СК-42, СК-63.
Помимо государственной системы координат (СК-42, СК-63) при описании положения точек кадастровых объектов обычно применяют так называемую местную систему координат.
Местная система плоских прямоугольных координат - система плоских прямоугольных
координат с местными координатными сетками проекции Гаусса.
В качестве основы Системы глобального позиционирования или GPS используется эллипсоид GRS-80. Система координат на основе этого эллипсоида называется Мировая геодезическая система 1984 (WGS-84). Эллипсоид GRS-80 имеет большую полуось, равную 6 378 137 метров, и малую полуось, равную 6 356 752.3 метра. Это значит, что для данного эллипсоида расстояние от центра Земли до экватора на 21 км больше, чем расстояние от центра Земли до полюса.
Для представления данных ГИС в местной системе координат очень важно понимать, что есть большие различия в отображении GPS-позиций в системе координат WGS-84 и в отображении тех же позиций в местной системе координат на основе местных ИГД. Картографические программные продукты позволяют переводить данные из системы координат WGS-84 в местные системы координат, а также преобразовывать высоту над эллипсоидом WGS-84 в высоту над геоидом.
Программное обеспечение может отображать данные в системе координат, заданной пользователем, и преобразовывать их на выходе в формат ASCII или в форматы, совместимые с вашей Географической информационной системой (ГИС) баз данных (5).
ГИС - это компьютерная система, способная удерживать и использовать данные, с помощью которых возможно описывать участки и регионы на поверхности Земли. А если точнее, ГИС представляет собой высокоорганизованную совокупность компьютерного оборудования, программного обеспечения, географических данных и персонала, с помощью которых можно эффективно удерживать, хранить, обновлять, управлять, анализировать и предоставлять все виды информации, полученной на основе картографических материалов.
В ГИС используются информация определенного типа, сведения, полученные в результате проведения географической привязки, или пространственные данные, а также реляционные базы данных для отслеживания географических объектов и данных. Информация географической привязки может включать географические, социальные, политические, экологические данные, которые могут быть представлены на карте.
Глобальная навигационная система GPS (Global Positioning System) и известная Российская спутниковая навигационная система «Гло-насс» предназначены для передачи навигационных сигналов, которые могут одновременно приниматься во всех регионах мира.
Системы GPS и «Глонасс» имеют сходную архитектуру. В их состав входят космический сегмент, состоящий из 24 КА, сеть наземных станций наблюдения за их работой и пользовательский сегмент (навигационные приемники). Все спутники GPS / «Глонасс» являются автономными. Параметры их орбит периодически контролируются сетью наземных станций слежения, с помощью которых (не реже 1-2 раз в сутки) вычисляются баллистические характеристики, регистрируются отклонения КА от расчетных траекторий движения и определяется собственное время бортовых атомных часов.
Для определения координат (широты и долготы) навигационным системам достаточно уловить радиосигналы как минимум с трех орбитальных спутников одновременно, измерив время распространения сигнала по его временным задержкам и расстояние спутник-приемник, а для определения высоты над уровнем моря - с четырех спутников.
В зависимости от назначения использования и стоимости GPS-приемники разделяются на односистемные, одночастотные и двухсистемные, двухчастотные, последние в свою очередь имеют высокую точность измерения.
Обработка результатов спутниковых измерений представляет собой очень важный этап работы, поскольку конечные результаты во многом зависят от нее. Обработка может быть разделена на несколько этапов, каждый из которых выполняется либо специальной компьютерной программой, либо одним из модулей большого программного пакета.
После выполнения процедуры GPS-измерений необходимо (выгрузка результатов измерений из GPS-приемников) переслать накопленные во внутренней памяти приемника данные в компьютер для дальнейшей обработки. В состав этих данных чаще всего входит следующая информация:
• навигационное сообщение (эфемериды спутников, по которым проводились наблюдения, ионосферные и тропосферные поправки и т.д.);
• данные о точке расположения приемника, его типе, выбранном способе наблюдений и т.д.;
• результаты наблюдений (кодовые и фазовые измерения, доплеровские данные и т.д.);
• другие данные (метеорологические, информация о наблюдателе, метаданные).
Для обеспечения совместимости результатов измерений, полученных различными по типу приемниками, используется стандартный формат обмена данными RINEX (Receiver Independent Exchange Format). Этот не зависящий от конкретного GPS-приемника формат обмена данными представляет собой совокупность трех ASCII-файлов:
• Файл GPS-измерений;
• Файл метеорологических данных;
• Файл навигационного сообщения.
Все модули программного обеспечения, предназначенные для ввода результатов измерений в GPS-приемник, позволяют конвертировать данные приемника в файлы формата RINEX. Использование формата RINEX дает возможность не только выполнять совместную обработку результатов GPS-измерений, выполненных различными приемниками, но и комбинировать измерения, полученные системами GPS и TRANSIT.
Обработка данных - это наиболее сложный и ответственный модуль, который обеспечивает вычисление векторов баз с использованием информации, введенной в программное обеспечение из GPS-приемника. В этом модуле решаются следующие задачи:
Выбор режима обработки данных, трансформация эфемеридой информации, выполнение кодовых вычислений, обработка фазовых данных, вычисление ковариационной матрицы для выбранного режима обработки, оптимальная оценка определяемых параметров, в частности, векторов баз, целочисленных неоднозначностей, параметров атмосферы, спутниковых орбит.
Программа GPSurvey обрабатывает векторы с помощью подпрограммы WAVE, которая запускается в отдельном диалоговом окне Setup (рис. 1).
Например, выбрав опцию «Все векторы баз», программа автоматически соединит все станции измерений, работающие во время наблюдений. Выбрав Независимый набор, программа соединит те векторы, которые имеют наилучшие показатели коэффициентов точности определения вектора. Опция Расширенный контроль позволяет пользователю производить более детальный контроль, например, изменять параметры маски возвышений, ионосферной и тропосферной коррекции, тип интерполяции (линейная или квадратическая) и т.д. Опция Спутники позволяет изменять количество спутников, участвовавших в измерениях. Исключив спутники, находящиеся на низких орбитах, можно повысить точность измерений (1).
Static baseline generation: Process times:
)■ All baselines Start: 128 _ 04 _ 99 11 :10:15 1007 ,299415
■"'* Independent seti
) User defined Stop: 128 . 04 99 114 : 32 : 30 1007 ,311550
Kinematic processing:
| Stop & G o
| Continuous Advanced controls... |
I Event markers
I Force continuous processing | OK | Cancel | Help |
Рис. 1. Установки обработки векторов баз
Определив установки, можно преступать к вычислениям векторов. После завершения вычислений программа выводит на экран сообщение о вычисленных векторах: длину вектора, величину дисперсии и коэффициента фильтрации. Проанализировав характеристики точности полученных векторов баз, принимаем их для дальнейших расчетов или, изменяя
Оценка качества исходных данных и результатов их обработки
В этом модуле выполняется автоматическая отбраковка измерений с грубыми ошибками, выявление скачков фаз, вычисление апостериорной ковариационной матрицы, производится контроль вычислений путем проверки петель на замкнутость (1).
Программное обеспечение TRIMNET осуществляет уравнивание, такая обработка предполагает возможность выполнения свободного и несвободного уравнивания сети, перехода между различными координатными системами с использованием семипараметрического преобразования подобия Гельмерта, а также преобразования координат точек к плановым проекциям (Гаусса-Крюгера, UTM, Ламберта и т.д.). В этом же модуле могут совместно обрабатываться результаты GPS-измерений и измерений, выполненных традиционными методами. Исходными пунктами при уравнивании должны быть пункты исходного базиса (одного или нескольких) (4).
Данные (координаты точек маршрута), полученные и обработанные программным обеспечением TRIMNET, импортируются в другие программы, такие как AutoCad, Easy Trace, CredoDat, MapInfo, Adobe Photoshop. В зависимости от создания цифровой модели карт применяется та или иная программа векторизации данных.
Например, при оцифровке бумажных карт с использованием сканера, полученный фрагмент
установки обработки, перевычисляем значения векторов баз.
Для лучшего восприятия полученные вектора можно просмотреть с помощью подпрограммы View (рис 2). Построенную сеть векторов можно дополнительно контролировать по величине не замыкания фигуры векторов баз. В этом же окне программы можно увидеть все характеристики точности полученных векторов.
необходимо соединить в единое изображение. Для чего необходимо задействовать возможности редакторов растровой графики (Adobe, Photoshop) или некоторых профессиональных векторизаторов карт типа Easy Trace, также позволяющих выполнять подобную процедуру.
Оцифровка бумажных носителей может быть автоматической, полуавтоматической, ручной. Ручная векторизация является медленной, но полностью контролируемой оператором. Это возможно в таких программах, как AutoCad и CredoDat.
Полученные карты территорий анализируются в ГИС программе (ArcView).
ArcView - это простое, мощное программное обеспечение, выпускаемое компанией ESRI. Данный продукт рекомендован специалистам, работающим в области сохранения дикой природы (4).
GPS, Глонасс и GIS-технологий можно использовать для решения различных задач:
1. Создания системы научных стационаров и маршрутов, уточнение и оптимизация границ ООПТ, организация новых заповедных участков.
2. Изучения биологического разнообразия ООПТ и формирования региональных экологических сетей.
3. Создания баз данных и карт распространения редких и исчезающих видов растений, животных, грибов, обитающих в заповедниках и национальных парках.
j I Lock I V,.lidu»..- I ¡Jj, J.,te I
Рис. 2. Полученная сеть векторов
4. Проведения количественного учета и тропле-ния животных
5. Изучения почвенно-геоморфологических и ландшафтных параметров местности на основе цифровых моделей рельефа.
6. Принятия управленческих решений по оптимизации режимов охраны территории, проведения научных исследований, выполнения эколого-просветительских программ и работы с населением.
7. Создания карт антропогенного влияния на ООПТ.
8. Выявления и учета территорий леса, которые имеют болезни древесины и часто подвержены возгораниям, для принятия управленческих решений.
9. Изучения и прогнозирования мест дальнейшего пребывания исчезающих животных (3) Эффективное функционирование особо охраняемых природных территорий обеспечивает поддержание оптимального экологического баланса обширных пространств, в настоящее время оно должно опираться на прочный надежный информационный базис. Развитие компьютер-
ных технологий открывает великолепные возможности для создания и совершенствования такого базиса в виде географических информационных систем, позволяющих достичь качественного уровня сбора, анализа и синтеза уже накопленных и постоянно пополняющихся сведений и данных о состояниях и изменениях отдельных природных комплексов и их территориальных сочетаний, называемых экосистемами.
Литература
1. Мельников С.Р., Дроздов О.В., Егоров В.Е. и др. Новая технология цифровой топографической съемки // Информационный бюллетень ГИС-ассоциации. - 1999. -№1(18). - С. 61.
2. Варламов А.А., Хабаров А.В. Экология землепользования и охрана природных ресурсов: учеб. пособие. - М.: Колос, 1999.
3. Коновалова Н.В., Капралов Е.Г. Введение в ГИС: учеб. пособие. - М.: Библион, 1997.
4. Малибашев Б.М. Постоянно действующие GPS-станции. Навеком. 2004.
5. Квашнина А.И. Мониторинг природных комплексов в заповеднике «Денежный камень» // Arcreview. - №4 (31). -2008. - С. 3.
Гармаев Андрей Юрьевич - аспирант кафедры физической географии Бурятского государственного университета, 670000, г. Улан-Удэ, ул. Смолина, 24-а, тел.: 8-924-657-80-50.
Garmaev Andrei FryevicA- post-graduate student of department of physical geography Buryat State University, 670000, Ulan-Ude, street Smolin, 24a, phone: 8-924-657-80-50.
УДК 556.5 (571.54) Е.Ж. Гармаев, Д. Доржготов
ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА И СТОК РЕК БАЙКАЛЬСКОГО РЕГИОНА
На основе данных доклада Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) рассматривается проблема возможных климатических изменений Байкальского региона. Анализ современных материалов и карты прогнозной оценки изменения слоя стока рек мира Н. Арнелла позволяет сделать вывод о сохранении существующего объема стока рек этой территории в середине XXI в.
Ключевые слова: изменение климата, речной сток.
E.Zh. Garmaev, D. Dorzhgotov CLIMATE CHANGE AND RUN-OFF OF THE OF RIVERS OF BAIKAL REGION
On the basis of data presented in the report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) we considered the problem of possible climatic changes of Baikal region. Analysis of the present-day materials and map of prognosis assessment of changes of word run-off of rivers by N. Arnell enable us to make a conclusion about preservation of existing amount of the run-off of the rivers on the given territory in the middle of XXI century.
Key words: saving of water resources, ecologically safe use of water resources.
В настоящее время большой интерес представляет проблема вероятных изменений основных характеристик климата и речного стока Байкальского региона, так как оценка состояния водных ресурсов и возможных изменений гидрологического режима на перспективу ближайших десятилетий напрямую связана с задачами гидротехни-
ческого и хозяйственного проектирования, а также долгосрочного планирования мероприятий по использованию и охране водных ресурсов на этой обширной территории. До настоящего времени такие оценки выполнялись с помощью статистических методов: данные наблюдений за предшествующий многолетний период подвергались стати-
