CC BY
9Ученые записки Таврического национального университета имени В.И.Вернадского Серия «География». Том 23 (62). 2010 г. № 2. С. 190-200.
УДК 551.46.581.19
ОСОБЛИВОСТ1 СТВОРЕННЯ ГЕ0ГРАФ1ЧН011НФ0РМАЦ1ЙН01 СИСТЕМИ ДЛЯ ЕКОЛОГ1ЧНОГО МОН1ТОРИНГУ
Муравський Л.1., Кошовий В.В., МельничокЛ.С., Алъохта О.В., Kypcirn 1.Й.
Ф1зико-мехашчний incmumym ¡м. Г.В. Карпенка HAH Украти, Львы, Украша
E-mail: mls@ipm.lviv.ua
Запропоновано структуру географ1чно! шформацшно! системи (Г1С), ор1ентовано1 на виршення завдань еколопчного мошторингу Шацького нацюнального природного парку. Проанал1зовано джерела одержання даних про стан екосистем на територп парку. Розроблено шформащйш технологи формування тематичних mapiB Г1С та наповнення баз даних, що харакгеризують еколопчний стан об'жив мошторингу. Наведено способи вщображення баз даних у Г1С та приклади ii використання для розв'язування практичних задач.
Ключов1 слова: географ1чна шформацшна система, база даних, еколопчний мошторинг.
ВСТУП
Важливою складовою концепцп сталого розвитку е еколопчна безпека. Бона передбачае науково обгрунтоване виршення завдань збереження i вщновлення природных екосистем, стабшзацп та полшшення якосп навколишнього середовища, зниження викид1в шкщливих речовин тощо [1].
Заповщш територп е природними експериментальними пол1гонами для проведения такого роду дослщжень. Територ1я Шацького нацюнального природного парку (НПП) характеризуешься структурною складшстю екосистеми. Взаемозв'язки м1ж озерними, люовими, болотними пщсистемами, сшьськогосподарськими угщдями та рекреацшними зонами е настшьки складними, що застосування традицшних пщход1в е малоефективним. Наявш даш дослщжень розпорошеш по р1зних оргашзащях, збер1гаються у р1зних форматах, що ускладнюе i'x комплексне використання. Важливим джерелом шформацп про стан екосистем е даш дистанцшного зондування Земл1 [2], яю мало використовуються через складнють i'x опрацювання. У сучасних умовах ефективне виршення перел1чених завдань неможливе без застосування шформацшних технологш. Використання передових 3aco6iß автоматизованого збору, обробки та представления шформацп' забезпечуе яюсно вищий pieeHb наукових дослщжень внаслщок можливосп сшвставлення рАзноманАтно! шформацп та комплексного пщходу до вивчення природних явищ. 1нформацшне забезпечення наукових досл1джень е визначальним чинником i'x ефективносп, актуальное^ результата, узгодження зусиль р1зних наукових груп.
Наведеш аргумента обгрунтовують необхщнють створення едино! бази даних еколопчних параметр1в середовища проживания, як шструменту для розв'язку наукових, дослщницьких та управ лшських задач. Геошформацшна система Шацького НПП (Г1С ШНПП) створюеться з метою оперативного доступу до
шформацп про характеристики об'екпв ще! природоохоронно! територп та чинниюв, що впливають на И розвиток. Розроблена Г1С стане засобом штеграцп розр1знено! шформацп про природш об'екти, яка групуеться у окремих тематичних шарах, ефективним знаряддям прогнозування еколопчного стану Шацького НПП та шструментом управлшня природио-заповщиими територ1ями.
1. СТРУКТУРА ШАР1В Г1С ШНПП
Осиовш тематичш шари Г1С Шацького НПП формувались виходячи ¿з наступних завдань для яких вона розробляеться:
• формування картограф1чних шар1в за тематичними ознаками;
• швентаризащя природио-заповщиих, територ1альних та юторико-культурних комплекс1в парку;
• створення та ведения баз даних еколопчиого мошторингу;
• обробка 1 анатз даних мошторингу з метою оцшки еколопчиого стану територп 1 розробки природоохоронних заход1в;
• моделювання 1 прогнозування еколопчних ситуацш
Для розробки Г1С ШНПП обрано програмне забезпечення ArcGIS 9.2 компанп ESRI [3]. Уявлення про загальну структуру шар1в Г1С ШНПП дае фрагмент екранно! копи системи, наведений на рис. 1. У окрему групу («Вихщш матер1али») видшеш растров! зображення, яю служать джерелом шформацп для побудови векториих цифрових картограф1чних шар1в, що складають основу Г1С.
1 <1уп^
щ □ БЮТНДИКАТОРИ
Е! 0 ¡йвьдййздя
Е1 □ ШСНИЦГБА
- 0 ФУНКЦЮНАПЬН1_В0НИ
0 [ Заппыдна зона
О
- 0 2 Буферна зона
|3
— 0 3 Транзитна зона
п
Б □ АНТРОПОГЕННИЙ_вп пив
- 0 РЕКРЕАЦ1Я
-: 0 Е|а:;и_е:|дпочинку щй
□ ГЕХНОГЕНМИЙ_бплив
Ш □ МЕТЕиРОЛОГ1ЧН1_ДАНГ
Б 0 Вик1дн1_МАТЕР1АЛИ
0 Прив'язка_иР5
+ □ ge_TN24.JPG
0 5росг008_Сеоге(- ¡пщ
± 0 1'Г1Пографына_1 ni000D.jpg
■ + □ Гуристична_Б0000. ИР
Е0 □ Класиф1кован1_КОСМОЗН1МК11
Е! □ ЗаМОВЛеИНЯ _КиГМи^Н1МК1Б
Рис. 1. Загальна структура шар1в Г1С ШНПП.
Цифров1 картограф1чш шари Г1С створюються на основ1 кшькох джерел, яю мютять взаемно доповнюючу шформащю (туристичш карти, наприклад, використовують для занесения назв географ1чних та шших об'екпв). Вихщними матер1алами при створеш цифрово! модел1 територп Шацького НПП були: топограф1чна карта станом на 1983 piK (М 1:100000), туристична карта територп Шацького НПП станом на 2008 piK (М 1:50000), косм1чний зшмок з супутника Quick Bird (20 серпня 2005 року), а також косм1чний зшмок з супутника SPOT 5 (7 травня 2008 року). Для узгодження розташування об'екпв на мюцевосп за допомогою незалежного GPS-приймача проведено вим1рювання положения характерних точок (перехрестя дор1г, перетин дороги з мелюративним каналом, крутий поворот дороги або люово! npociKH тощо), яю легко розтзнаються на растрових зображеннях (30 точок, розподшених на територп Шацького НПП, позначен! цифрами на рис. 2). Завдяки цьому середньоквадратична похибка прив'язки космозображень не перевищувала 8 м. Фрагменти вихщиих растрових карт та деяю результати ix дешифрування - границ! ШНПП, державш кордони, мережа дорш з твердим покриттям та подш територп на фуикцюиальш зони за европейською класифшащею - наведеш на рис. 2.
Рис. 2. Фрагменти вихщних растрових карт, точки прив'язки (пронумерован!) та результати дешифрування (умовш позначення на рис. 1 та 3).
Основш векторш шари Г1С вщображають топограф1чш особливосп територп Шацького НПП 1 подаш в однш груш (рис. 3).
+ □ Б101НДИКАЮРИ - В ТОПОГРАФИЯ
а и Гранищ_ШНПП
1=1 и Кордони
0 В Шосе
—
0 □ грунтое1_дороги
0 □ 1ЪльоЕИ_(л1сов1)_дорогм
•т' □ Л|СОЕ| _прос1ки
- В Пдролопчна_мережа
,-, и Населен! пункти
а
- и Озера еода
0 п Очерет
а
0 □ Болота
□
0 □ Грунти
□
0 □ Населен! пункти на 1983р
□
|-1 С1 П дролопчна_мерем<а_г1а_1 ?83р
Рис. 3. Склад топограф1чних шар1в ШНПП.
Об'екти, яю складають основш векторш шари, наносили на цифрову тоиооснову методом дешифрування космозшмюв за дешифрувальними ознаками. Об'екти на космозшмку видшяли в основному за прямими ознаками (форма, розм1р, тон та структура зображення об'екта), зрщка використовували опосередковаш ознаки (взаемне розташування об'екпв).
Границ! Шацького НПП були нанесен! шляхом векторизацп !х зображень на туристичнш карт1 М 1:50000 та сумщення з ириродними об'ектами 1 контурами (мелюративними каналами, люовими просшами, дорогами р1зних клас1в, контурами люу). Державний кордон визначався на топограф1чнш карт1 М 1:100000 та сумщенням з ириродними об'ектами (р. Захщний Буг, мелюративш канали, люов1 просши).
Шосе, а також покращеш грунтов! дороги добре помпга на зшмку завдяки ч1тко окресленому дорожньому полотну у вигляд1 вузько! смуги однаково! ширини
переважно свгглого тону, з прямолшшиими дшяиками та геометрично правильными заокругленнями (поворотами). Грунтов! та польов! (люов!) дороги добре розшзиаються по звивистому иа1жджеиому слщу у вигляд! лшш иер1виом1рио1 товщиии, переважно свггло-шрого тону з числеииими розгалужеииями (розвилками).
Рши та струмки на космозшмку мають вигляд звивистих смуг р1зно! шириии одиорщиого, переважно темного тону. Мелюративш каиали добре розшзиаються на територп, вшьнш вщ люу. Це смуги р1вио1 шириии, прямолшшио! форми, з чггкими кутами повороту, переважно однородного темного тону.
Зображення озер мають темний тон, гладку структуру. Водойми з брудиою, каламутною водою, а також мшиии мають бшьш св1тлий тон. Болота вщображаються темним тоном, часто з др1бно-зернистими плямами (чагариик, очерет), шод! волокнисто! структури. Бшьш темний тон вщповщае бшьш зволожеиим мюцям.
Люи та чагарники розшзиаються на космозшмках за характерною зернистою структурою зображення, яка утворена сукупшстю освгглеиих крои та темних пром!жюв м1ж ними. Люов! просши добре розшзиаються завдяки контрасту м!ж ними та освгглеиими кронами дерев. Вони мають вигляд однорщних за тоном та прямолшшних за формою смуг р1вно! товщиии з чггкими кутами повороту. На космозшмку важко розр1зиити зображення люових просш та мелюративиих каиатв. Зробити це допомагае топограф1чна та туристичиа карти. Лю займае иайбшьшу площу у ШНПП, тому для люиицтв у Г1С сформовано окрем! шари.
Важливими еколопчиими чииииками е характеристики грунту - температура, волопсть, солешсть, р1вень грунтових вод, яю вщображаються на окремому шар!.
На територп населених пунктов розр1зияються окрем! будиики (свтолий тон, прямокутна форма). Добре помтош квартали забудови та вулищ. Цей шар иеобхщиий для вивчеиия антропогенного впливу на екосистеми.
Латеитш еколопчш загрози задовго до появи явних озиак можуть бути виявлеш бюшдикаторами. Тому вивчеиия !х поведшки важливе для передбачеиия розвитку екосистем. У Г1С бюшдикатори видшеш в окрему групу (рис. 4). У шарах ще! групи вщображаеться локал!защя та чисельнють популяцп певного виду (на даний час це 9 вид1в птах1в). Передбачена можливють вщображеиия динамши змши та траисформацп цих популяцш.
2. ТЕХНОЛОГИЗБОРУ ДАНИХ
Створеш цифров! шари об'екпв еколопчиого мошторингу дозволяють пор1внювати 1 сшвставляти даш про характеристики еколопчиого стану, отримаш в результат! вим1рюваиь або спостережень. Ц1 даш заиосяться у вщповщш поля атрибутивно! таблиц! ! можуть використовуватись для автоматизоваиого опрацюваиия.
За способом збору та наповнення атрибутивних таблиць Г1С можиа вид!лити так! джерела одержання даних:
В Н? Layers
- ¡3 Б101НДИКДТ0РИ
- щ Пгахи
"<все другие значенияi
Вид_.лат
О ACRPAL
О ЮТ5ТЕ
О CYGOLO
О DREPOL
О (jALMED
о LYRTET
о MERMER
о PODCRI
о 5'i'ENIR
ш □ Стэн_ггапуляц1й_ _1Ж
ш □ Стэн_ггапуляц1й_ _1985
ш □ Стэн_ггапуляц1й_ _1986
ш □ Стэн_ггапуляц1й_ _1991
ш □ Стэн_ггапуляц1й_ _1994
ш □ Стэн_ггапуляц1й_ _1997
ш □ Стэн_ггапуляц1й_ _2000
ш □ Стэн_ггапуляц1й_ 2003
ш □ Стэн_ггапуляц1й_ 2ГШ
ш □ Стан_популяц1й_ .2009
Рис. 4. Група mapie бюлопчних шдикатор1в.
1) пошук та впорядкування наявних даних (опублшоваш даш, протоколи випробувань тощо);
2) накопичення даних при виконаиш незалежних дослщжеиь - у цьому pa3i важливо наперед узгодити формат подання даних (особливо для таких характеристик, опис яких недостатиьо формал1зований - бюшдикатори, показники рекреацшиого навантаження, i т.д.).
3) автоматизоваиий 36ip даних з використаиням сервериих функцш; при такому cnoco6i накопичення та арх1вування шформацп необхщио розробляти спещальие програмне забезпечеиня для перетворения даних у формат, прийнятний для використаиня в Г1С.
Bn6ip формату подання даних е важливим у системах, що штегрують р1знорщну шформащю з р1зних джерел [4]. У перших двох випадках доцшьно використовувати прикладш програми загального призиачения з пакету MS Office: Access для формування персональних баз даних та Excel для створення електронних таблиць. Даш цих формата можна легко включити в атрибутивш таблиц! вщповщиих mapiB Г1С. Такий шдхщ було використано для залов нення атрибутивиих таблиць люових видшв. Первюш даш були подаш у текстовому
формат!, що вимагало розробки процедуры перетворення i'x у формат електронних таблиць Excel з подальшим його розшзнаванням у систем! ArcGIS.
Операщя прив'язки даних ¿з зовшшшх джерел до шару Г1С виконувалась иаявиими в систем! засобами. Вказавши у штерактивиому BiKHi необхщш для узгодження атрибутивиих та 30BHimHix таблиць параметри i подтвердивши викоиаиия операцп, одержували розширеиу таблицю атрибутивиих даних. Завдяки цьому було автоматизоваио процес заповиеиия атрибутивиих таблиць великого обсягу. Ще одна перевага подання даних у зовшшшх базах даних полягала у можливосп оцшюваиия дииамши змши pi3HHx характеристик об'екта мошторингу та часового сшвставлення цих характеристик. Наприклад, у р!зних таблицях бази даних можуть збершатись даш таксацшиих onnciß проведеиих у р!зиий час. KpiM цього, 30BHimHi бази даних можна використовувати иезалежио вщ Г1С.
Найбшьш! обсяги иеперервиого вщбору даних за достатньо! надшносп забезпечують технологи автоматизоваио! реестраци даних. Так, наприклад, супутниковий зн!мок Свропи, який поиовлюеться щогодини, розмщеиий у мереж! Internet за адресою http://meteoprog.com.ua/sat/image2.jpg. Зображення перюдичио одержують за програмою, яку запускае системна служба сервера cron (рис. 5). За цими зшмками вщслщковують динамшу перемщеиия повггряиих мае, що необхщно, наприклад, для вивчеиия процешв перенесения забруднень, дослщжеиия та прогнозування шлях!в та перюду м!граци птах1в. У автоматичному режим! одержують також результати вим!рюваиия характеристик стану грунту з пристро!в TDR, що входять до складу транскордонно! мереж! мошторингу грунтових екосистем, змонтовано! на територп Шацького НПП та Полюького парку народового (Польща). Даш у текстовому формат! передаються щогодини на визиачеиий FTP-сервер за протоколом GPRS, використовуючи послуги оператора мобшьиого зв'язку.
3. ВИКОРИСТАННЯ Г1С ДЛЯ ВИР1ШЕННЯ ЕКОЛОГ1ЧНИХ ЗАВДАНЬ
Описана рашше техиолопя прив'язки даних i3 30BHimHix джерел до шару Г1С дозволяе використовуваи розширеиу атрибутивну таблицю для формуваиия иеобхщиих запипв, результати яких вщображаються на KapTi. Для прикладу видшимо у Мельниювському люиицтв! Шацького НПП TaKi видши, на яких основною породою е береза повисла (рис. 6). Ця шформащя иеобхщиа шд час проведения люовпорядкувальних po6iT (рубки догляду, ландшафтш рубки тощо). Важливою також е шформащя щодо оцшки иаявиост! сухостою pi3HHx порщ. На рис. 7 наведений результат запиту, який вщображае видши з сухостоем берези повисло!.
Проведения л!совпорядкувальиих po6iT передбачае дослщжеиия впливу пошкоджеиь деревостану на виникнення сухостою. На рис. 8 показаш видши з сухостоем берези повисло!, ураженим березовою губкою. Березова губка викликае
жовто-буру трщииувату гниль стовбур1в берези. Сиочатку загнивають перифершш шари деревини, поим даний ироцес розповсюджуеться всередиш стовбура. Руйнування деревини протшае досить штеисивио, що стае причиною великих втрат дшово! деревини. Цей гриб може розвиватися тшьки на березг Сшвставлеиия иаведеиих зображень показуе, що уражеиия березовою губкою е иасл1дком, а не причиною сухостою, який бшьш поширений у низинних, а значить вологих вид1лах.
14:30 " 20:30
Рис. 5. Перемщеиия повпряних мае на протяз1 доби 19.04.2010 (п1д рисунками вказано час фотографування).
Рис. 7. Видши люництва ( ) з сухостоем берези повисло! (□).
Рис. 8. Видши люництва ( ), уражеш березовою губкою (□).
висновки
Наведен! результати, отримаш шд час створення Г1С ШНПП, свщчать про иаявшсть ряду особливостей, характерних для геошформацшних систем еколопчного мошторингу. H,i особливосл, як правило, зумовлеш иеобхщшстю вщображеиня р1знорщних еколопчних чииниюв, для кожного з яких юнують специф1чш методи реестрацп, вщбору, класифшацп та подаиня даиих. Так, зокрема, топограф1чну основу слщ створювати на ochobî кшькох джерел (топограф1чш та туристичш карти, космозшмки, плани земельних дшянок тощо), яю мютять взаемио доповнювальш даш про об'екти еколопчного мошторингу. Для узгоджеиня розташування об'екпв на мюцевосп за допомогою незалежного GPS-приймача слщ проводити вим1рювання положения характерних точок (перетин дорп, мости, тощо), яю легко розтзнаються на растрових зображениях. Наприклад, на територп ТТШИИ видшяли 30 таких характерних точок. Такий шдхщ дозволяе найповшше вщобразити особливосл дослщжувано1 територп а також виявити неточности в наявних даних. Завдяки цьому, зокрема, виявлено помилки у картах таксацшного опису люових упдь, встановлеио вщхилення меж люових видшв вщ природних граииць та змши po3MipiB видшв, зумовлеш господарською д1яльшстю.
Важливим джерелом шформацп про стан екосистем е даш дистанцшиого зондуваиня Земл1 (ДЗЗ). Результат класифшацп космозшмка TepnTopiï парку з супутиика SPOT (травень 2008 року) за допомогою програми ENVI (24 класи) використаио для уточнения геометричних параметр1в ряду об'екпв еколопчного
мошторингу. Так, для коректно! штерпретацп даних дистаицшного зондування i прив'язки i'x до даних иаземиих дослщжень, на територп парку визначено i описано 117 зав1ркових дшянок. KpiM того, за класифшованими космозшмками встановлено меж1 заростання i навпъ повного зиикиения окремих малих озер.
Важливою ланкою створювано! Г1С TTTHIIII е цифров1 карти люових видшв, доповнеш атрибутивними даиими з таксацшиими описами квартал1в i видшв. Структуруваиня описових даних та прив'язка ix до об'екпв Г1С дозволяе розв'язувати ряд практичних господарських та еколопчиих задач. Наприклад, анатз поширения пошкоджеиь у видшах залюиених березою повислою показуе, що уражеиня березовою губкою е наслщком, а не причиною сухостою, який бшьш поширений у низинних, тобто у вологих видшах.
Список лггератури
1. Донелла Медуз Пределы роста / Донелла Медоуз, Йорген Рандерс, Деннис Медоуз.; пер. с англ. -М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. - 342с.
2. Использование данных дистанционного зондирования Земли для формирования географической информационной системы биосферного резервата «Шацкий» / Л.И. Муравский, О.Т. Олийнык, О.В. Алёхина [и др.] // Ученые записки Таврического национального университета им. В.И. Вернадского. -2008. - т. 21(60), № 1. - С. 87-96.
3. Св1тличний О.О. Основи геошформатики: Навчальний поибник / О.О. Св1тличний, С.В. Злотницький ; за заг. ред. О.О. Свпличного. - 2-ге вид., випр. i доп. - Суми: ВТД «Утверситетська книга», 2008. - 294 с.
4. Фшозоф Р.С. Досвщ штеграцп р1знор1дних даних в геошформацшних еколого-природоохоронних проектах / Р.С. Фшозоф // Вчеш записки Тавршського нацюнального ушверситету iM. В. I. Вернадського. Cepiя "Географш". - 2009. - Т. 22 (61). - №1 - С. 142-147.
Муравский Л.И. Особенности создания географической информационной системы для экологического мониторинга / Муравский ЛИ., Кошевой В.В., Мельничок Л.С., Алёхина О.В., Курсиш И.Й. // Учен^1е записки Таврического национального университета имени В.И. Вернадского. Серия: География. - 2010. - Т. 23 (62). - № 2 - С. 190-200.
Предложена структура географической информационной системы (ГИС), ориентированной на решение задач экологического мониторинга Шацкого национального природного парка. Проанализированы источники получения данных о состоянии экосистем на территории парка. Розработаны информационные технологии формирования тематических шаров ГИС и наполнения баз данных характеризующих экологическое состояние объектов мониторинга. Приведены способы отображения баз данных в ГИС и примеры её использования для решения практических задач. Ключевые слова: географическая информационная система, база данных, экологический мониторинг.
Muravsky L.I. Features of geographic information system creation for ecological monitoring / Muravsky L.I., Koshovy V.V., Melnychok L.S., Alokhina O.V., Kursish I.Y. // Scientific Notes of Taurida National V. Vernadsky University. - Series: Geography.. - 2010. - Vol. 23 (62). - № 2 - P. 190-200. The structure of the geographic information system is proposed, oriented on ecological monitoring tasks solving within the Shatsk National Natural Park. Sources of data receiving about ecosystems state in the Park territory were analyzed. Information technologies of databases formation and filling with information about monitoring objects ecological state are developed. Modes of databases representation within the geoinformation system as well as examples of their usage for practical tasks solving are presented. Keywords: geographic information system, database, ecological monitoring.
Поступила ередакцгю 26.04.2010 г.
