CC BY
28УДК 004.6:528:553.97(440.331)
Шахматов К. Л.
Шахматов Кирилл Леонидович, к. т. н., доцент кафедры горного дела, природообустройства и инженерной экологии Тверского государственного технического университета (ТвГТУ), Тверь, наб. Аф. Никитина, 22. krl81@list.ru.
Гордеева И.М.
Гордеева Инна Михайловна, магистрант направления «Химическая технология: Технология переработки торфа и сапропелей» Тверского государственного технического университета (ТвГТУ), Тверь, наб. Аф. Никитина, 22. inna_001f@mail.ru.
Shakhmatov K.
Shakhmatov Kirill, PhD (engineering), Associate of Professor of the Chair of Mining, Environmental Engineering, Industrial Ecology, Tver State Technical University.
Gordeeva I.
Gordeeva Inna, magistrate of direction "Chemical technology: Technology of peat and sapropel processing" of Tver State Technical University.
РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ ЭЛЕКТРОННОЙ БАЗЫ ДАННЫХ ДЛЯ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ТОРФЯНЫХ БОЛОТ И НАРУШЕННЫХ ТОРФЯНИКОВ ТВЕРСКОЙ ОБЛАСТИ
(ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
Аннотация. В данной статье рассматривается опыт создания электронных систем по учету, актуализации, визуализации и поиску информации о месторождениях полезных ископаемых Российской Федерации и возможность его применения для создания базы данных торфяных болот и торфяников. Проведен анализ информации о существующих разработках по данной тематике. Приводятся результаты исследований и примеры практического применения электронных баз данных. Это первая часть исследования по созданию тематической геоинформационной системы. В дальнейшем будут проработаны вопросы классификации и типологии болот, принципы картографирования и обработки изображений, а также вопросы синтеза всей разноплановой информации и создание на ее основе единой электронной системы.
DEVELOPMENT OF THE ELECTRONIC DATABASE
STRUCTURE FOR THE GEOINFORMATION SYSTEM OF MIRES AND PEATLANDS IN TVER REGION (REVIEW OF LITERATURE)
Annotation. This article discusses the experience of creating electronic systems for recording, updating, visualizing and searching for information on mineral deposits of the Russian Federation and the possibility of its application to create a database of mires and peatlands. The analysis of information on existing developments on this topic. The results of studies and examples of the practical application of electronic databases are presented. This is the first part of the study on creating a thematic geographic information system. In the future, the issues of classification and typology of swamps, the principles of mapping and image processing, as well as the synthesis of all diverse information and the creation of a unified electronic system on its basis will be worked out.
Ключевые слова: торфяные болота, торфяники, база данных, полезные ископаемые, геоинформационные системы.
Key words: mire, peatland, database, minerals, geographic information systems.
Геоинформационная система торфяных болот и поврежденных торфяников1 -это сложная система, затрагивающая широкий круг вопросов разной направленности. Для разработки научно обоснованной информационно-картографической системы необходимо отдельно рассмотреть вопросы классификации и типологии болот, вопросы картографирования и создания тематических карт, а также вопросы синтеза всей обозначенной информации и принципы создания единой информационной системы. В данной статье приводится справочная информация и существующий опыт и наработки по заявленной тематике.
Водно-болотные угодья занимают значительные площади на территории Российской Федерации, покрывая в некоторых регионах сотни тысяч и даже миллионов гектар [10]. Они играют важную роль как в естественных природных процессах, так и во многих сферах человеческой деятельности, а также в устойчивом развитии целых регионов. Учет и использование этих угодий занимает важное место в деятельности государственных и местных органов власти, научных и коммерческих организаций. Единого учета таких территорий не было, поскольку широкое разнообразие земель, входящих в их состав невозможно объединить без потери качественной информации. Тем не менее в данной статье обсуждается возможность создания тематической геоинформационной системы, объектом которой будет выступать часть водно-болотных угодий -это переувлажненные территории с наличием на них органических отложений (торфа), к которым в общепринятой терминологии относятся заболоченные земли и торфяные болота.
Из торфяных болот в отдельную группу выделяют торфяные месторождения, как территории, имеющие глубину торфа более 70-100 см и представляющие интерес с точки зрения добычи органического сырья. На протяжении ХХ века в Советском Союзе велась активная добыча торфа. В этой связи, начиная с 1930-1950 гг., были разработаны детальные справочники торфяных месторождений по всем областям страны, в которых указывались все разведанные месторождения, их располо-
жение и основные характеристики торфа. Изменения запасов торфа находили отражения в государственном балансе. Таким образом, существовала актуальная информация по всем разведанным месторождениям, их состоянию, а также карты торфяного фонда. В настоящее время проведение геологоразведочных работ лицензируется и выполняется за счет финансовых средств инвесторов. При этом торфодобывающие предприятия должны ежегодно отчитываться по объемам добытого и оставшегося торфяного сырья по форме № 5-гр. Данная форма позволяет учитывать динамику запасов только по месторождениям, где ведется добыча торфа. А это всего лишь единицы от общего количества торфяных месторождений. Поэтому нет возможности оценить актуальное состояние всего торфяного фонда.
Таким образом, на сегодняшний день существует необходимость проведения инвентаризации территории Российской Федерации, и Тверской области в частности, и создания единой электронной системы учета по всем торфяным болотам и нарушенным торфяникам.
Разработка структуры базы данных - это один из первых вопросов при создании геоинформационной системы (ГИС). Для ее разработки необходимо определиться с объектами учета, которые будут входить в эту базу данных.
Особенности понятийного аппарата и терминологии в рассматриваемой сфере были пояснены в книге «Торфяные болота России: к анализу отраслевой информации» [12]. Становление понятия болота как самостоятельного природного объекта происходило в течение длительного времени, начиная с первых упоминаний использования торфа при Петре I, и продолжается по сей день. Начало более глубоких исследований болот относится к 10-20 гг. ХХ века, и связаны они были с их широкомасштабным осушением. В течение первой половины ХХ века происходило становление научного понимания болота как целостного природного образования с рядом неотъемлемых признаков. И в настоящее время термином «болото» обозначается широкий класс природных образований, объединяющихся общностью генезиса, количественных и качественных
1 Следуем сложившемуся подходу к использованию термина «торфяное болото» применительно к любым болотам, находящимся в естественном или близком к естественному состоянию, и «торфяник» - ко всем объектам, имеющим или сохранившим торфяную залежь, но в первую очередь к утратившим или сильно изменившим (по антропогенным или иным причинам) болотный растительный покров и даже часть торфяной залежи. Такой подход соответствует международной практике использования терминов «mire» в первом случае и «peatland» - во втором [7].
характеристик энерго- и массообмена, находящих отражение в ряде специфических внешних черт и ландшафтных признаков [12]. В то же время «неоднократно подчеркивалась невозможность приложения понятия болота для организации учета или ведения кадастра. Объектом учета могут быть лишь территориальные единицы, такие как болотный участок, болотный массив, болотная система».
Создание первых систематизированных каталогов по болотным массивам, конечно же, необходимо связать с развитием торфяного дела в России. Первым этапом этого явления было развитие методов разведки торфяных месторождений в 1920-1930 гг., что определило подход к оценке местности, оценке запасов и качества торфяного сырья, определение границ торфяных месторождений и многие другие вопросы [8]. Для целей широкомасштабной разведки и в последующем добычи торфяного сырья были разработаны классификации видов торфяного сырья и торфяных залежей. Итогом этих работ и стало создание справочников торфяных месторождений, которые будут использованы нами в качестве основы для создания ГИС по торфяным болотам и торфяникам.
На сегодняшний день существует возможность расширить понятие базы данных и ориентироваться на составление и использование тематической ГИС, которой является географическая информационная система, способная объединить изображение участка местности на поверхности Земли с четкой привязкой к своему географическому расположению с текстовой (атрибутивной) информацией, характеризующей данный участок. При этом можно определить следующие основные цели ведения подобной ГИС:
• сбор, хранение и поддержание актуальности данных по торфяным болотам и торфяникам;
• отражение качественных и количественных характеристик торфяного месторождения;
• своевременное оперативное предоставление данных заинтересованным сторонам;
• предварительная оценка возможного количества запасов торфа по конкретному месторождению, муниципальному району, субъекту РФ или фонду в целом;
• составление отчетов по торфяным болотам и торфяникам с определенными свойствами или по определенным административно-территориальным единицам;
• оценка возможности использования территорий торфяных болот и торфяников для различных экономических целей, в том числе добычи торфа, сельского хозяйства, дачного строительства, повторного обводнения, болотного растениеводства, рекреации и туризма, охраны природы и т. д.;
• оценка природоохранной ценности торфяных болот и торфяников;
• выделение наиболее пожароопасных территорий для усиленного мониторинга, а также проведения работ по вторичному обводнению.
Исходя из обозначенных целей можно определить потенциальные заинтересованные стороны, которым может быть интересно использование подобной ГИС - это государственные органы власти федерального и регионального уровня, местные органы самоуправления, научные и общественные организации, бизнес-структуры, рассматривающие торф и торфяные месторождения как объект инвестиций.
В этой связи необходимо изучить существующую литературу по данной теме.
Имеющиеся базы данных по учету месторождений полезных ископаемых разработаны с учетом особенностей горючих, рудных и нерудных полезных ископаемых, которые представляют собой особый экономический интерес. В другом случае каталоги разработаны по общему принципу, не учитывающему какие-либо физические, химические и другие свойства полезных ископаемых. При этом необходимо подчеркнуть, что торфяные болота и нарушенные торфяники - это уникальные объекты, существенно отличающиеся от других полезных ископаемых, что необходимо учитывать при составлении базы данных и в последствии тематической ГИС.
Так, в статье [1], рассмотрена эволюция систем учета минерально-сырьевых ресурсов и проблемы, возникающие при их составлении и ведении. В российском недропользовании функционируют 4 тесно связанные информационные системы, входящие в мегасистему «Программный комплекс ИС «Недра», которыми являются: Государственный кадастр месторождений и проявлений полезных ископаемых (ГКМ); Государственный баланс запасов полезных ископаемых (ГБЗ); Реестр лицензий и массив лицензионных дел; Реестр горных отводов.
При этом в электронную базу данных не входят месторождения неметаллических общераспространенных полезных ископаемых,
в том числе и торфяные месторождения, которые находятся в ведении территориальных органов ФГУНПП «Росгеолфонд». Территориальный орган ведет учет торфяных месторождений, но данная база данных достаточно громоздка и неудобна для быстрого поиска, нет связи с интерактивной картой месторождений, а также данная система не имеет общедоступного статуса.
Более того, объектом учета всех перечисленных систем является полезное ископаемое, его качественные и количественные характеристики.
В завершении статьи коллектив авторов предлагает цели, которые должны быть достигнуты для дальнейшей эволюции систем учета запасов, а именно: перевод перечня полезных ископаемых в соответствие с ныне действующими законодательными и нормативными правовыми актами РФ; определение списка общераспространенных полезных ископаемых, запасы которых подлежат учету; разработка и обеспечение реализации взаимодействия филиалов ФБУ «ТФГИ» Роснедра и уполномоченных структур администраций субъектов РФ в части обмена геологической информацией; разработка новых табличных форм и усовершенствование структуры и содержания Государственного баланса запасов; и другие предложения, которые выведут систему учета запасов на новый уровень [1, 2].
Но среди данного списка есть пункт, с которым сложно согласиться. Авторы статьи предлагают списывать с учета многочисленные мелкие месторождения с запасами, не имеющими промышленного значения и не востребованные на протяжении нескольких десятков лет. В настоящее время небольшие месторождения полезных ископаемых наоборот могут быть более востребованы, чем крупные с промышленными запасами сырья. Логичнее предположить, что местный малый бизнес будет в большей степени заинтересован выбрать небольшой участок с общераспространенными полезными ископаемыми для их разработки. Поэтому крайне важно учитывать все месторождения полезных ископаемых независимо от их качественных и количественных характеристик. Мы понимаем, что учет и изображение таких месторождений - это кропотливый и длительный процесс, требующий значительных усилий от заинтересованных сторон. Тем не менее это возможно осуществить. При этом данная информация будет аккумулирована в
электронном виде, а создание карт расположения подобных объектов возможна в масштабе 1 : 10 000 в границах административно-территориальных образований либо их определенных частей.
В статье [3] рассмотрен пример создания базы данных на основе конкретного месторождения полезных ископаемых. В данной работе определена цель - разработка оптимальной методики для повышения эффективности управленческих, научно-исследовательских и экономических процессов в горнопромышленной сфере на основе применения компьютерных технологий. В качестве объекта исследования выступают месторождения Старооскольско-Губкинского горнопромышленного узла Белгородской области, а информационными элементами являются месторасположение объекта, тип руд, содержание железа, прогнозные ресурсы и забалансовые руды.
Подобная структура информации слабо соответствует целям создания базы данных торфяных болот и торфяников, так как не описывает ни качественных, ни количественных характеристик, ни характера использования этих территории.
В работе [4] достаточно точно и актуально сформулированы цели ведения единой базы данных месторождений полезных ископаемых и общие принципы разработки подобной системы. Так, автор предлагает создание банка геопространственных данных, который может аккумулировать разнородную информацию -картографические данные, пространственные модели, нормативно-справочную и техническую информацию, различные шаблоны для формирования отчетности и др. Подобные банки геоданных позволят повысить точность и надежность подсчета запасов и ресурсов полезных ископаемых, выполнять всевозможные аналитические исследования для оптимизации многих процессов горного производства.
Банк геопространственных данных должен обеспечить унифицированное хранение пространственных и описательных данных в СУБД, без использования дополнительных программных средств. При создании банка геопространственных данных, помимо высокого быстродействия при работе с данными, масштабируемости, необходимо предусмотреть, чтобы пространственно-временной анализ мог выполняться как инструментальной ГИС, так и самой СУБД, что оптимально с точки зрения распределения ресурсов.
При создании единого банка данных должны учитываться следующие принципы:
• использование единой системы идентификации информационных объектов;
• использование единого стандарта на формат записи признаков типа;
• формирование единого адресного пространства территориальной информационной системы и его внедрение во всех автоматизированных информационных системах;
• использование единого формата записи признаков при информационном обмене данными;
• использование общесистемных справочников и словарей по отдельным системам баз данных;
• предложение унифицированного протокола обмена между единым информационным банком данных и отраслевыми системами;
• учет предложений органов исполнительной власти.
Поэтому основой успешной работы проекта будут являться рациональное построение структуры формируемой базы данных и оптимизация механизмов работы с ней.
Организация пространственных данных в электронном виде обладает рядом характерных особенностей, не позволяющих создавать электронные модели с применением достаточно простых математических алгоритмов. Среди этих особенностей в первую очередь выделяется разнородность существующей информации, которая выражается:
• в различных способах получения первичной информации;
• различных методах получения первичной информации;
• наличии дискретных данных, описывающих непрерывные процессы и их свойства;
• различных способах электронного хранения информации (растровые, векторные изображения, табличные данные разных типов);
• отсутствии методических рекомендаций по построению моделей и анализа на их основе. Помимо упомянутых факторов исключительно технического характера при моделировании необходимо учитывать и наличие изначальной, «природной» неоднородности объектов.
В соответствии с вышесказанным при проведении подсчета запасов полезных ископаемых, в первую очередь встает вопрос опреде-
ления изначальных (входящих) и получаемых (выходящих) параметров. Кроме того, данные параметры будут определяться целями и задачами, для решения которых будет использоваться модель [4, 5].
Данные принципы хорошо соответствуют целям создания базы данных торфяных болот и нарушенных торфяников и поэтому будут учтены в наших дальнейших работах.
В Тверском государственном техническом университете ведутся разработки по созданию электронной базы данных торфяных месторождений в Центральном федеральном округе, которые описаны в статье [6]. Эта тема очень актуальна для Тверской области, так как это одна из самых заторфованных территорий в Центральном федеральном округе Российской Федерации. На территории области расположено 2828 торфяных месторождений, из которых 1454 месторождения с балансовыми запасами, то есть их целесообразно разрабатывать при современном уровне развития торфяной промышленности. Общие запасы торфа оцениваются в 2031,3 млн т. Тверская область является самой изученной областью по выявлению, разведке и учету торфяных запасов. Именно поэтому Тверская область может стать своеобразным эталоном создания электронной базы данных торфяных болот и торфяников, и далее данную концепцию можно будет применить к другим регионам.
В работе [6] описаны трудности, с которыми столкнулись составители базы данных. Основная из них заключается в поиске конкретных торфяных месторождений по материалам геологических разведок. Это обосновывается тремя факторами: прекращение существования населенных пунктов, которые использовались для привязки болот; перемещение границ административных районов или даже областей; ошибки в названиях населенных пунктов. В статье в качестве решения этих проблем предлагают записывать только те населенные пункты, которые существуют в данный момент и которые имеют свой код Общероссийского классификатора территориальных муниципальных образований (ОКТМО).
Картографической основой в рассматриваемой базе данных являются снимки из общедоступных картографических сервисов, таких как Google Earth Pro, Яндекс-карты и Bing. Связь информации о торфяном месторождении и картографическом изображении происходит посредством создания гиперссылок.
К сожалению, в статье не описывается сама структура базы данных и программный продукт, в котором она может быть реализована.
В статье [7] коллективом авторов была проведена и описана работа по применению подхода к картографированию торфяных болот и торфяников по различным источникам информации, а также космическим снимкам на примере Рязанской области. В работе поставлены три конкретные задачи, которые необходимо решить в результате ГИС-картографирования: 1) определение местоположения торфяных болот и торфяников; 2) определение их границ и создание информационной базы данных по характеристикам объектов; 3) актуализация, статистическая обработка и анализ полученной информации.
С точки зрения создания тематической базы данных для Тверской области больший интерес представляет первая и вторая задачи. В частности, в статье приведена примерная структура атрибутивной таблицы (она же база данных, с возможностью выгрузки в специализированные программные продукты для обработки статистической информации), характеризующая торфяные болота и торфяники, которая содержит следующие типы информации: порядковый номер; название; категория запасов; площадь торфяной залежи в нулевой и промышленной границах; максимальная и средняя мощность пласта; общие запасы торфа; запасы по типам торфа - верхового, смешанного, переходного и низинного торфа; водоприемник.
Из всех рассмотренных ранее атрибутивных таблиц данная является наиболее оптимальной для использования ее в качестве основы в своей работе.
Как было обозначено выше, база данных торфяных болот и нарушенных торфяников может быть использована для нескольких сфер деятельности, которые могут иметь разные требования и степень заинтересованности, предъявляемые к этим природным объектам. В целом всех заинтересантов можно объединить в три крупные группы - это органы государственной и муниципальной власти, промышленные компании и бизнес-сообщество, а также научные организации. При сохранении разумности предоставления информации и в то же время пригодности базы данных для обозначенных сторон, предлагаем дополнить структуру атрибутивной таблицы, указанной в [7], следующими столбцами: - расположение объекта (муниципальный
район, общие ориентиры, географические
координаты) - это позволит определить распределение объектов по муниципальным образованиям и следовательно, установить органы местного самоуправления, в ведении которых находится определенный объект; также данная информация будет интересна с точки зрения управления земельными ресурсами в границах муниципальных образований. Подобная таблица была предложена авторами Л.В. Муравьевой и Е.В. Сидоровой в статье «Создание базы данных...» [9], в которой рассматривается создание группы взаимосвязанных таблиц для характеристики нарушенных болот Тверской области. Также в работе [10] указывается, что структура базы данных «Торфяные ресурсы» территориально увязывается с административным делением региона, что позволяет учесть интересы районов и землепользователей [10]; состояние на текущий момент - в этой графе можно в целом охарактеризовать состояние торфяных болот и, таким образом, выделить как минимум четыре группы объектов. Подобная классификация была предложена группой авторов В.И. Косовым, А.С. Беляковым и др. в книге «Торф. Ресурсы, технологии, геоэкология» [10]. Так, выделяется: 1) охраняемый фонд, включающий в себя объекты, использование которых будет осуществляться в неизменном состоянии; 2) земельный фонд, включающий в себя объекты, которые будут осушены и использованы в качестве земельных угодий, в том числе и площади под сооружениями; 3) разрабатываемый фонд, включающий в себя объекты, которые будут использоваться после извлечения сосредоточенных на них запасов торфа; 4) запасной фонд, включающий в себя объекты, информация о которых недостаточна для определения направления их использования в настоящее время [10]; наличие уникальных представителей флоры/фауны - этот показатель позволит учесть природоохранную значимость торфяных болот. Впоследствии данную информацию можно расширить в дополнительных таблицах и указать конкретные уникальные виды, их количество, защитный статус территории и другие характеристики; общетехнические свойства торфа (зольность (Ас, %), влажность (ш, %), степень разложения %) - это позволит получить общую информацию о качестве торфяного
сырья с ресурсной точки зрения и определить наиболее подходящие торфяные месторождения под те или иные инвестиционные запросы; - степень пожарной опасности (от 1 до 5, согласно [11]) - это позволит построить картосхемы степени опасности возникновения пожаров; определить очередность и актуальность проведения работ по снижению пожароопасности на конкретных объектах; анализировать динамику состояния торфяников во времени после проведения данных мероприятий и без таковых. Таким образом, обзор литературы по вопросу создания базы данных торфяных болот и торфяников показал, что на сегодняшний день есть определенные наработки, которые имеют ряд особенностей и удовлетворяют конкретным целям и задачам. В то же время нами была определена более обширная цель создаваемой базы данных, для чего требуется добавить ряд существенных характеристик торфяных болот. Следует отметить, что структура атрибутивной таблицы, которая была рассмотрена в статье, на данный момент несет информационную нагрузку. Важными вопросами для дальнейших исследований будут являться визуализация объектов на карте, какой именно принцип будет положен в основу этой визуализации и другие картографические вопросы. Также в следующих работах предстоит оценить возможности программных продуктов, которые позволят создать удобную геоинформационную систему с возможностью менять визуальные образы объектов в зависимости от различных целей -управление земельными ресурсами, инвестиционной, научной, природоохранной и т. д.
Библиографический список
1. Ларичкин В.А., Константинов Б.А., Макаров Д.В., Петунина О.Н. Эволюция систем учета минерально-сырьевых ресурсов и их проблемы. Минеральные ресурсы России. Экономика и управление. - 2012. - №4. -С. 36-42.
2. Ларичкин В.А. Основные системы учета минерально-сырьевых ресурсов в России.
Минеральные ресурсы России. Экономика и управление. - 2007.
3. Уколова Е.В. Методы обработки информации о месторождениях полезных ископаемых и повышение эффективности управленческих процессов. Проблемы геологии и освоения недр. - 2012. - Т. 2. - С. 225-227.
4. Басаргин А.А. Проектирование структуры базы данных для подсчета запасов и ресурсов твердых полезных ископаемых. - 2014.
5. Ивашко С.В. Создание базы данных графической информации по региональным исследованиям на нефть и газ. Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений. - 2001. - С. 26-31.
6. Женихов Ю.Н., Иванов В.Н. Создание электронного кадастра торфяных месторождений Центрального федерального округа. Болота и биосфера: материалы Всероссийской с международным участием X школы молодых ученых. - 2018. - С. 38-42.
7. Ильясов Д.В., Сирин А.А., Макарова Л.Ю. и др. ГИС-картографирование торфяных болот и антропогенно измененных торфяников Рязанской области // Вестник РГАТУ - 2019. -№ 1 (41). - С. 30-38.
8. Панов В.В., Токарев С.В., Женихов Ю.Н. Методические особенности разведки месторождений торфа в соответствии с целями их использования // Труды Инсторфа: научный журнал. - Тверь: ТвГТУ 2018. -№ 18 (71). - С. 8-27.
9. Муравьева Л.В., Сидорова Е.В. Создание базы данных нарушенных болот Тверской области. Вестник ТвГУ Серия «География и геоэкология». - 2016. - № 1. - С. 27-33.
10. ТОРФ. Ресурсы, технологии, геоэкология / В.И. Косов, А.С. Беляков, О.В. Белозеров, Д.Ю. Гогин; Под ред. В.И. Косова. - СПб.: Наука, 2007. - 452 с.
11. Женихов Ю.Н. Пожароопасные торфяные месторождения Тверской области [Текст: монография / Ю.Н. Женихов, В.В. Панов, В.И. Суворов. - Тверь: ТГТУ 2011. - 80 с.
12. Торфяные болота России: к анализу отраслевой информации / Под ред. А.А. Сирина и Т.Ю. Минаевой. - М.: Геос, 2001. - 190 с.
